Metallernes atomare struktur og tilstandsformer
Metallernes atomare struktur og
tilstandsformer
Metallernes struktur, opbygning
og tilstandsformer
For at få en forståelse af metallernes særlige
måde at opføre sig på i forhold til andre materialer, er det nødvendigt, at man har et kendskab
til, hvordan materialerne er opbygget, helt fra
den mindste bestanddel, atomet, og op til det
samlede produkt: det emne, vi skal bearbejde. Vi
kan som udgangspunkt se på en stålklods og
hurtigt arbejde os ned til atomet og derfra på tilbagevejen prøve at se på det, vi møder, og prøve
at få et overblik og lidt orden i det, vi møder på
vejen.
Atomets opbygning
Når vi ser på en stålklods, ser den ud som et
stort samlet materiale. Det er dog ikke tilfældet.
Hvis vi ser det samme materiale under et mikroskop, vil vi i den blanke overflade kunne se, at
materialet er sammensat af mange små korn, eller, som det også kaldes, krystaller.
Når vi ser på materialernes egenskaber, bestemmes de oftest af de elektroner, der sidder i den
yderste bane eller skal, som det også kaldes,
men inden vi går videre med dette, må vi nok lige se på, hvordan et atom er sammensat.
Til forklaring af atomet kan vi anvende vor
landsmand Niels Bohrs atommodel, der forenklet ser ud på følgende måde:
Selve atomkernen består af protoner og neutroner, der har fællesbetegnelsen nucleoner. Protonen er elektrisk positiv, neutronen er elektrisk
neutral.
Den væsentligste del af atomets masse findes i
atomkernen, antallet af protoner er det, der giver grundstoffet eller atomet sit nummer i rækken af grundstoffer, atomnummeret har betegnelsen Z.
Omkring atomkernen kredser der et antal elektroner, der har en negativ ladning. Elektronernes antal svarer til det antal postitivt ladede
protoner, der er i atomkernen.
ma020-01.tif
Metalkorn
Kunne vi nu finde et mikroskop, der kunne forstørre mange flere gange, ville vi nok kunne se
materialets mindste bestanddele, nemlig atomerne.
ma170-02.cdr
Atomkerne
Det samlede atom vil derved udadtil virke elektrisk neutralt, hvis det får lov til at være upåvirket af andre atomer, der kan omdanne det til en
ion, hvilket kan ske, hvis der fjernes eller tilføres en eller flere af de yderste elektroner, der også kaldes valenselektroner.
ma170-01.cdr
Atom
© Industriens Forlag Ma170.fm5 - 00 05 10
1
Metallernes atomare struktur og tilstandsformer
ma170-03.cdr
Når antallet af elektroner i 2.-6. skal når otte,
begynder atomet at fylde en ny skal op. Når fjerde til syvende skal fyldes, starter opfyldningen i
hovedgrupperne IA og IIA med to elektroner, før
den foregående skal fortsættes med opfyldningen. Det videre forløb af opfyldningen, når vi er
nået til metallerne, er et større område, se derfor
efterfølgende tabel over grundstofferne.
Dette, at skallen fyldes op til otte elektroner, der
i øvrigt synes at gøre atomet særlig stabilt, kaldes oktetreglen. Atomer med otte elektroner i
yderste skal kaldes ædelgasser.
Fælles for de fleste metaller er, at de har to eller
færre løstsiddende elektroner i yderste skal, se
senere. Når vi skal have et overblik over atomerne eller grundstofferne, kan det gøres ved at ordne dem efter stigende atomnummer.
Den orden, de vil fremkomme i, kaldes det periodiske system.
2
Industriens Forlag - Ma170.fm5 - 00 05 10
Metallernes atomare struktur og tilstandsformer
Det periodiske system
For at danne sig et overblik over atomerne/
grundstofferne er det nødvendigt at sætte tingene lidt i system. Det startede man på i ca. år
1800, hvor man kendte ca. 30 grundstoffer, og til
i dag, hvor man kender 110 grundstoffer. En del
af de sidste, fra nr. 95 til 110, fremstilles i laboratorier og er kun stabile et kort øjeblik.
Som vi omtalte under metallernes struktur, er
det periodiske system ordnet efter atomnummer,
det vil derfor fremstå som nedenstående model
af det periodiske system.
Når vi ser på modellen nederst, vil vi se, at den
er inddelt med otte lodrette hovedgrupper mærket med A og 10 undergrupper mærket med B.
Ser man på en hovedgruppe, svarer antallet af
elektroner i den yderste skal til hovedgruppens
nummer. Undtaget er He, der er stabil med to
elektroner og derfor står sammen med de stabile
i 8 hovedgrupper.
I undergrupperne er dette desværre ikke altid
tilfældet. Den vandrette inddeling – sidegruppeinddelingen – fortæller, hvor mange skaller atomet har. Man kan fra tabellen se, at der er
maks. 7 skaller i hele atomsystemet.
Ud fra det periodiske system kan vi uddrage
mange forskellige oplysninger, f.eks. at vægten
er stigende, hvilket kan ses af atommassen, se
på jern, hvor atommassen er 55,8, og kobber
med atommasse på 63,6 samt, hvis systemet indeholder en elektronnegativitetstabel, også, hvilken bindingstype der vil fremkomme ved en evt.
legering. Dette er oplysninger, der har interesse
ved fremstillingen af materialerne, da det har
indflydelse på styrken i materialerne.
Vi har nu set på, hvordan atomerne er opbygget,
og i hvilken orden de er placeret, og vil nu se på,
hvordan de opfører sig over for hinanden, når de
binder sig sammen, og hvilken betydning det har
for os, når vi skal bruge dem.
Lithium (Li) og natrium (Na) har altså begge en
elektron i yderste skal, og ilt (O) nr. 8 og svovl
(S) nr. 16 har begge seks elektroner i den yderste skal.
ma170-28.cdr
Det periodiske system
© Industriens Forlag Ma170.fm5 - 00 05 10
3
Metallernes atomare struktur og tilstandsformer
Tabel over grundstofferne
58-71 er sjældne jordarters metaller.
Elektronstruktur
Nr.
4
Navn
Symbol Atomvægt
1.
2.
1
Hydrogen (Brint)
H
1,008
1
2
Helium
He
4,0
2
3
Lithium
Li
6,9
2
1
4
Berylium
Be
9,0
2
2
5
Bor
B
10,8
2
3
6
Kulstof (Carbon)
C
12
2
4
7
Kvælstof (Nitrogen)
N
14
2
5
8
Ilt (Oxygen)
O
16
2
6
9
Fluor
F
19
2
7
10
Neon
Ne
20
2
8
3.
4.
5.
11
Natrium
Na
23
2
8
1
12
Magnesium
Mg
24,3
2
8
2
13
Aluminium
Al
27
2
8
3
14
Silicium
Si
28
2
8
4
15
Fosfor (Phosphor)
P
31
2
8
5
16
Svovl
S
32
2
8
6
17
Klor (Chlor)
Cl
35,5
2
8
7
18
Argon
A
40
2
8
8
19
Kalium
K
39
2
8
8
1
20
Calcium
Ca
40
2
8
8
2
21
Scandium
Sc
45
2
8
9
2
22
Titan
Ti
48
2
8
10
2
23
Vanadium
V
51
2
8
11
2
24
Chrom
Cr
52
2
8
13
1
25
Mangan
Mn
55
2
8
13
2
26
Jern
Fe
55,8
2
8
14
2
27
Kobolt
Co
58,9
2
8
15
2
28
Nikkel
Ni
58,7
2
8
16
2
29
Kobber
Cu
63,6
2
8
18
1
30
Zink
Zn
65
2
8
18
2
31
Gallium
Ga
70
2
8
18
3
32
Germanium
Ge
72,6
2
8
18
4
33
Arsen
As
75
2
8
18
5
34
Selen
Se
79
2
8
18
6
35
Brom
Br
80
2
8
18
7
36
Krypton
Kr
84
2
8
18
8
37
Rubidium
Rb
86
2
8
18
8
1
38
Strontium
Sr
88
2
8
18
8
2
39
Yttrium
Y
89
2
8
18
9
2
40
Zirkon
Zr
91
2
8
18
10
2
41
Niobium (Columbium)
Nb
93
2
8
18
12
1
42
Molybdæn
Mo
96
2
8
18
13
1
43
Tecnetium
Tc
88
2
8
18
13
2
44
Ruthenium
Ru
102
2
8
18
15
1
45
Rhodium
Rh
103
2
8
18
16
1
6.
7. skal
Industriens Forlag - Ma170.fm5 - 00 05 10
Metallernes atomare struktur og tilstandsformer
Elektronstruktur
Nr.
Navn
Symbol Atomvægt
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7. skal
46
Palladium
Pd
107
2
8
18
18
0
47
Sølv
Ag
108
2
8
18
18
1
48
Cadmium
Cd
112
2
8
18
18
2
49
Indium
In
115
2
8
18
18
3
50
Tin
Sn
119
2
8
18
18
4
51
Antimon
Sb
120
2
8
18
18
5
52
Tellur
Te
128
2
8
18
18
6
53
Iod
I
127
2
8
18
18
7
54
Xenon
Xe
131
2
8
18
18
8
55
Cæsium
Cs
133
2
8
18
18
8
56
Barium
Ba
137
2
8
18
48
8
2
57
Lanthan
La
139
2
8
18
18
9
2
58
Cerium
Ce
140
2
8
18
20
8
2
59
Praseodym
Pr
141
2
8
18
21
8
2
60
Neodym
Nd
144
2
8
18
22
8
2
61
Promethium
Pm
146
2
8
18
23
8
2
62
Samarium
Sm
150
2
8
18
24
8
2
63
Europium
Eu
152
2
8
18
25
8
2
64
Gadolinium
Gd
157
2
8
18
25
9
2
65
Terbium
Tb
159
2
8
18
27
8
2
66
Dysprosium
Dy
162
2
8
18
28
8
2
67
Holmium
Ho
164
2
8
18
29
8
2
68
Erbium
Er
166
2
8
18
30
8
2
69
Thulium
Tm
169
2
8
18
31
8
2
70
Ytterbium
Yb
173
2
8
18
32
8
2
71
Lutetium
Lu
175
2
8
18
32
9
2
72
Hafnium
Hf
179
2
8
18
32
10
2
73
Tantal
Ta
181
2
8
18
32
11
2
74
Wolfram (Tungsten)
W
184
2
8
18
32
12
2
75
Rhenium
Re
186
2
8
18
32
13
2
76
Osmium
Os
191
2
8
18
32
14
2
77
Iridium
Ir
193
2
8
18
32
15
2
78
Platin
Pt
195
2
8
18
32
17
1
79
Guld
Au
197
2
8
18
32
18
1
80
Kviksølv
Hg
201
2
8
18
32
18
2
81
Thallium
Tl
204
2
8
18
32
18
3
82
Bly
Pb
207
2
8
18
32
18
4
83
Wismut (Bismuth)
Bi
208
2
8
18
32
18
5
84
Polonium
Po
210
2
8
18
32
18
6
85
Astat
At
212
2
8
18
32
18
7
86
Radon
Rn
222
2
8
18
32
18
8
87
Francium
Fr
223
2
8
18
32
18
8
88
Radium
Ra
226
2
8
18
32
18
8
2
89
Actinium
Ac
227
2
8
18
32
18
9
2
90
Thorium
Th
232
2
8
18
32
18
10
2
91
Protactinium
Pa
231
2
8
18
32
20
9
2
92
Uran
U
238
2
8
18
32
21
9
2
© Industriens Forlag Ma170.fm5 - 00 05 10
1
1
5
Metallernes atomare struktur og tilstandsformer
Elektronstruktur
Nr.
Navn
Symbol Atomvægt
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7. skal
93
Neptunium
Np
237
2
8
18
32
22
9
2
94
Plutonium
Pu
244
2
8
18
32
24
8
2
95
Americium
Am
243
2
8
18
32
25
8
2
96
Curium
Cm
247
2
8
18
32
25
9
2
97
Berkelium
Bk
247
2
8
18
32
27
8
2
98
Californium
Cf
251
2
8
18
32
28
8
2
99
Einsteinium
Es
254
2
8
18
32
29
8
2
100
Fermium
Fm
257
2
8
18
32
30
8
2
101
Mendelevium
Md
258
2
8
18
32
31
8
2
102
Nobelium
No
259
2
8
18
32
32
8
2
103
Lawrencium
Lr
260
2
8
18
32
32
9
2
Tilstandsformer
De fleste materialer og alle metaller, vi kender,
kan forekomme i de tre kendte tilstandsformer:
• Fast form, også kaldet fast fase
• Flydende form, også kaldet væskefase
• Luft form, også kaldet damp eller gasfase
Disse tre tilstandsformer gennemgår de fleste
kendte metaller, når de påvirkes af forskellige
temperaturer. Ser vi på et materiale, vi kender
fra vor dagligdag, rent jern uden tilsætningsstoffer, vil vi se, at det har fast/flydende form indtil
ca. 1.536°C, hvor det smelter, hvorefter det ved
3.000°C, går over i gasfasen. Temperaturen,
hvor ændringerne sker, kan ændres, når det atmosfæriske tryk ændres, ovenstående temperatur er f.eks. gældende ved 1 atmosfæres tryk.
Ved stigende tryk falder temperaturen for faseskiftene. Denne egenskab er baggrunden for, at
man i stor udstrækning benytter væske under
tryk til køling af forbrændingsmotorer. Ved at
hæve trykket i kølesystemet til 1,4 bar kan temperaturen hæves til 120°C, uden at systemet koger over. Fænomenet udnyttes ligeledes i trykkogere, hvor tilberedningstiden for f.eks. en portion kartofler kan reduceres ved, at man opvarmer vandet til omkring 110°C.
Når et materiale er i de forskellige faser, er sammenholdet/bindingen mellem de enkelte atomer
også forskellig.
6
ma170-04.cdr
Faseændring
I gasfasen er der ingen eller kun svag binding
mellem atomerne, hvilket vil bevirke, at materialet hurtigt spredes, hvis det ikke er i en lukket
beholder. Når materialet går fra gas til flydende
fase, bliver afstanden mellem atomerne mindre,
og de tiltrækkes mere til hinanden, men kan dog
stadig bevæge sig indbyrdes.
I den faste fase er atomerne stoppet med at bevæge sig indbyrdes, men har dog stadig en vis
aktivitet i elektroner.
Den måde, atomerne placerer sig på ved størkningen, kaldes krystalgitre. Ethvert materiale
har sit eget krystalgitter, der er en vigtig del af
materialets egenskab. Når et materiale skal til
at danne et krystalgitter, starter det med, at atomerne begynder at søge sammen, eller som det
kaldes, at binde sig til hinanden.
Industriens Forlag - Ma170.fm5 - 00 05 10
Metallernes atomare struktur og tilstandsformer
De materialer, vi anvender i vor dagligdag, har
tre primære bindingstyper, de sekundære vil ikke blive omtalt her:
• Ion-binding
• Kovalent-binding
• Metal-binding
Lad os se på, hvordan og hvorfor de binder sig,
som de gør. Som omtalt tidligere, vil atomerne,
når materialerne skifter fase, begynde at nærme
sig hinanden. Når dette sker, vil de positive
ioner tiltrække de negative på samme måde,
som når man sætter to magneter over for hinanden. Vender man magneterne, vil de frastøde
hinanden. Tilsvarende vil ske, når positive og
negative partikler møder hinanden.
Positiv ion
Atomerne bliver derved til positive og negative
ioner, der vil tiltrække hinanden som magneterne.
Ion-binding er en meget stærk bindingstype, der
kan opstå mellem to grundstoffer, ofte mellem et
metalatom og et ikke-metalatom, f.eks. i keramiske materialer. Materialer med overvejende ionbinding har en stor hårdhed og stivhed, dermed
følger desværre også, at materialet er skørt. Årsagen skal findes i den måde, bindingen samles
på, når det opbygger sit krystalgitter.
Ion-gitteret holdes som omtalt sammen ved
hjælp af ionernes positive og negative ladninger.
Når disse bindinger overbelastes (brydes), vil de,
da de ligger med negative ioner over positive,
som magneterne vi omtalte tidligere, frastøde
hinanden og vil ikke gendannes. Materialet er
dermed brudt.
Negativ ion
ma170-29.cdr
Den måde, atomerne/ionerne finder sammen på
(bindingstyperne), skyldes, at grundstoffernes
forskellige elektriske opbygning af atomer har
forskellig elektron-negativitet. Lad os på denne
baggrund se på de forskellige bindingstyper.
Ion-binding
Ved ion-binding forærer det ene atom en eller
flere elektroner til et andet atom.
ma170-06.cdr
Ion-gitter
+
−
ma170-05.cdr
Kovalent-binding
Ved den kovalente binding sker der som ved ionbindingen også noget med de yderste elektroner,
valenselektronerne. Ved ion-bindingen afgav eller modtog de forskellige atomer elektroner og
blev dermed enten positive eller negative. Ved
kovalent-binding deles man om de valenselektroner, man har, i almindeligt fælleseje, f.eks. har
siliciumatomet, som kan findes i fjerde hovedgruppe i det periodiske system, fire elektroner i
sin yderste skal.
Ion-binding
© Industriens Forlag Ma170.fm5 - 00 05 10
7
Metallernes atomare struktur og tilstandsformer
Den vil kunne binde sig med andre siliciumatomer, således at oktetreglen opfyldes.
Metal-binding
Den bindingsform, vi oftest møder i vort daglige
arbejde med vore materialer (metallerne), er naturligvis metal-binding. Ved metal-binding er
der ikke som ved ion- og kovalent-binding udveksling eller deling af valenselektronerne.
Metal-bindingens elektroner danner nærmest en
fælles negativ elektronsky omkring metalionerne, se tegning, og vil derved holde de nu positive
metalioner på plads i krystalgitteret.
ma170-07.cdr
Silicium (Si)
Oktetreglen kan også opfyldes med f.eks. klor,
der har syv valenselektroner.
ma170-09.cdr
Metal-binding
Da elektronskyen ikke er bundet fast til et eller
flere atomer, er det muligt at bevæge de enkelte
atomer hen over hinanden (i slipplanerne), mens
de stadig er fastholdt af elektronskyen.
ma170-08.cdr
Klormolekyle
Kovalent-bindinger er meget stærke, men også
meget sprøde. Årsagen skal også her findes i
krystalgitteret, hvor vi ser, at atomerne skal rives ud af deres binding med hinanden og vil, når
bindingerne er brudt, ikke gendannes. Kovalentbindinger finder vi i keramiske materialer, hvor
de er bundet i krystalgitre samt i polymerer,
hvor de findes i lange kæder, hvis det er termoplastiske materialer, og som et krystal, når det
er hærdeplast.
8
Materialer med metal-binding er seje og lader
sig gerne bearbejde ved bukning og strækning
eller presning. De materialer, vi møder i dagligdagen, er ikke rene materialer, grundstoffer,
men vil indeholde forskellige tilsætningsstoffer.
Dette bevirker, at vi i de fleste materialer vil finde to eller tre af de ovenstående bindinger i større eller mindre grad.
Industriens Forlag - Ma170.fm5 - 00 05 10
Metallernes atomare struktur og tilstandsformer
Krystalstrukturer
Vi vil til dette anvende nogle modeller, hvor atomerne optræder som lige store kugler.
Atomer, der samler sig i ideale og fejlfrie metaller, vil danne bestemte mønstre, krystalgitre,
der vil være ens i alle retninger i det enkelte
krystalkorn.
Materialer, der samler sig i faste mønstre, kaldes krystallinske. Materialer, der samler sig
uden bestemte mønstre, kaldes amorfe (uden
form), dette kan f.eks. være visse plast- og keramiske materialer.
Simpel
kubisk
Kubisk
fladecentreret
Kubisk
rumcentreret
Simpel
tetragonal
Rumcentreret
tetragonal
Hexagonal
Simpel
ortorombisk
Rumcentreret
ortorombisk
Rombehedralsk
Simpel
monoklinsk
Metalmaterialernes krystallinske opbygning
Grundcentreret
ortorombisk
Fladecentreret
ortorombisk
ma170-10.cdr
Metallerne ordner sig i gitterform
Formen af gitteret og materialets renhed har
stor betydning for de egenskaber, sejhed m.m.,
materialet får, når det skal anvendes. Den form
eller gitterstruktur, materialerne har, ser vi
bedst ved at se på den mindste del af mønsteret,
der f.eks. kan have form som en terning, eller,
som det kaldes, enhedscellen. Enhedscellen er
det mindste antal atomer, der danner krystallets
symmetri, f.eks. en terning eller en kubus, som
det også kaldes. Enhedscellen er for metallerne
en meget enkel opbygning.
Grundcentreret
monoklinsk
Triklinsk
ma170-11.cdr
De syv krystalsystemer
Hexagonal gitterstruktur
Den hexagonale enhedscelle vil se ud som nedenstående tegning. Cellen har i alt 17 atomer,
hvoraf den deler de 14 med nabocellerne, numrene 4 til 17, når cellen sidder i sin gitterstruktur.
Der findes syv krystalsystemer med i alt 14 enhedsceller, se efterfølgende tegning. Vi har inden
for metallerne normalt kun brug for fire af enhedscellerne:
• Hexagonal gitterstruktur
• Tetragonal gitterstruktur
• Kubisk rumcentreret gitterstruktur
• Kubisk fladecentreret gitterstruktur
Vi ser på gitterstrukturerne en ad gangen, hvordan de er bygget op, og i hvilke materialer de
kan findes.
ma170-12.cdr
Hexagonal kuglepakning
© Industriens Forlag Ma170.fm5 - 00 05 10
9
Metallernes atomare struktur og tilstandsformer
Af de mest almindelige metaller med denne
struktur kan nævnes zink, magnesium, titan og
kobolt.
Den fladecentrerede enhedscelle er tættere pakket end den rumcentrerede, hvilket bl.a. er en af
årsagerne til, at jern over 910°C som austenit er
lettere at strække og bøje.
Tetragonal gitterstruktur
Den tetragonale gitterstruktur har facon som en
lidt fladtrykt eller langstrakt terning. Cellen har
i sin simpleste grundform otte hjørneatomer,
som den deler med nabocellerne i gitterstrukturen.
ma170-15.cdr
Fladecentreret kuglepakning
Af materialer med denne struktur kan nævnes
jern over 910 til 1.394°C, nikkel, aluminium,
kobber, bly, guld, sølv og mange andre metaller.
ma170-13.cdr
Tetragonal kuglepakning
Den tetragonale struktur findes i tin, bor, radium og hærdet stål.
Kubisk rumcentreret gitterstruktur
Den kubiske rumcentrerede enhedscelle har facon som en almindelig terning, hvor der er et
atom i hvert hjørne samt et atom i midten.
Når vi her har set tæt på, hvordan enhedscellerne og gitterstrukturen er i de forskellige materialer, skyldes det, at nogle af metallernes egenskaber er knyttet til disse opbygninger. En vigtig del af egenskaberne er materialernes evne til
at lade sig forme ved tryk eller træk, også kaldet
den plastiske deformationsevne, hvis årsag bl.a.
skal findes i enhedscellernes slipplaner.
Slipplaner eller atomplanglidning
ma170-14.cdr
Rumcentreret kuglepakning
Denne enhedscelle findes i jern op til 910°C og
fra 1.394°C til smelte, endvidere findes den hos
molybdæn, wolfram og chrom.
Kubisk fladecentreret gitterstruktur
Den kubiske fladecentrerede enhedscelle har også facon som en terning med et atom i hvert
hjørne, men har endvidere et atom på hver flade.
Dette giver otte hjørneatomer og seks fladeatomer, i alt 14 atomer, se tegning, som alle deles
med nabocellerne.
10
Trækker eller trykker man i et materiale med en
ikke for stor kraft, vil alle materialer være elastiske. Elasticiteten vil vare, indtil atombindingerne brydes, og der ved hårde materialer med
primære kovalent-bindinger, f.eks. glas og keramiske materialer, sker brud, eller som ved metaller, hvor der vil ske atomplanglidninger i slipplanerne, hvorved metallet får en plastisk deformation.
En jernstang, der bøjes, får en plastisk deformation med både træk og trykspændinger. Den
kraft, der skal til at forme forskellige metaller,
er afhængig af den tæthed, der er i gitterstrukturens kuglepakning. Er kuglepakningen meget
tæt, vil kuglerne kunne glide let mellem hinanden og skal ikke bruge stor kraft til at løfte de
modstående atomlag fra hinanden. Det modsatte
er tilfældet, når kuglepakningen er løs.
Industriens Forlag - Ma170.fm5 - 00 05 10
Metallernes atomare struktur og tilstandsformer
Slipplan
Slipretning
ma170-18.cdr
Kubisk fladecentreret gitter
ma170-16.cdr
Deformationen sker trinvis ved
relativ glidning mellem
to atomanlæg
Om kuglepakningen er tæt eller løs, samt hvilke
retninger (slipplaner) atomerne kan glide i, kan
vi se af enhedscellernes opbygning. Slipplanerne
ligger i de planer i elementarcellerne, hvor kuglepakningen er tættest.
Slipplanerne i de tre mest forekommende enhedsceller er her tegnet. Den hexagonale enhedscelle har tre slipretninger, der alle ligger i
samme slipplan. Deformation af hexagonale materialer kan dog være vanskelig trods den tætte
kuglepakning. Dette skyldes, at det kan være
vanskeligt at ramme et enkelt slipplan med
kraftpåvirkningen.
Slipplan
Den kubisk rumcentrerede enhedscelle har 12
ikke parallelle slipplaner og en løsere kuglepakning, der vil kræve en større kraftpåvirkning
end den fladecentrerede, når der skal deformeres materiale med denne struktur, jf. tidligere.
At glideplaner har stor indflydelse på, hvor meget og hvor lidt et materiale kan deformeres, kan
vi se af, at magnesium med hexagonalt gitter
skal anvende ca. 100 N/mm2 for at lave den
maks. forlængelse, materialet har på ca. 10 til
15%. Aluminium med kubisk fladecentreret gitter skal derimod bruge 25 N/mm2 for at få sin
maks. forlængelse på ca. 50%.
De slipplaner, vi har set indtil nu, har været i
perfekte krystalgitre. I virkeligheden vil de fleste af de materialer, vi anvender, indeholde forskellige former for fejl, som vi skal se i følgende
afsnit.
Slipretning
Slipplan
Slipretning
ma170-17.cdr
Hexagonalt gitter
Den kubisk fladecentrerede enhedscelle er med
sine 24 ikke parallelle slipplaner den letteste at
deformere. Dette skyldes, at cellen har en tæt
kuglepakning, der sammen med de mange slipplaner gør, at den kraft, der skal anvendes, får
mange muligheder for at ramme et slipplans retning.
© Industriens Forlag Ma170.fm5 - 00 05 10
ma170-19.cdr
Kubisk rumcentreret gitter – Gitterfejl
Gitterfejl
De mest almindelige former for fejl i atomgitteret er punktfejl og liniefejl. Fejlene opstår, når
materialerne starter med gitteropbygningen, ved
overgangen fra flydende til fast form, ved tilsætning af legeringsmaterialer eller ved en senere
deformation, varmebehandling, svejsning, hærdning m.m. Fejlene har betydning for materialernes egenskaber, hvilket vi kan se af følgende.
11
Metallernes atomare struktur og tilstandsformer
Punktfejl
De oftest forekommende punktfejl er:
• Små eller store fremmede atomer fra legeringsmaterialer, der optager et af grundmetallets atomers plads i gitteret. Disse kaldes
substitutionsatomer
• Små atomer kan til tider finde plads mellem
atomerne i gitterstrukturen uden at optage
pladsen fra et af grundmaterialets atomer.
Disse kaldes indskudsatomer
• Der kan også opstå den fejl, at der mangler et
atom i gitteropbygningen. Det vil bringe forstyrrelse i det omkringliggende gitter, men
kan dog også være til hjælp, når der sker diffusion mellem atomerne i materialet. Denne fejltype kaldes vakance
ma170-20.cdr
Punktfejl i metalgitteret
Ser vi på de to første gitterfejl, vil de være en
hindring for de slip, der kan foretages på slipplanerne. Der skal anvendes større kraft for at deformere materialer med denne fejltype. Tilsætning af substitutionsatomer foretages ofte i metaller som legeringsmaterialer, da de giver
grundmaterialet nye og anderledes egenskaber,
styrke m.m.
Den tredje fejl må anses for at være en fordel for
deformation, da den letter atomerne, når de skal
bytte plads, f.eks. ved bukning, varmebehandling m.m.
12
Liniefejl
Liniefejl, også kaldet dislokationer, er en fejl i
gitterstrukturen, der går gennem (hele) krystallet. Dislokationen optræder som et ekstra atomplan i en ellers perfekt gitterstruktur.
ma170-21.cdr
Krystaller kan have gitterfejl
som f.eks. indskudsatomer
eller dislokationer
Dislokationer er til stor hjælp ved deformation af
materialer. Kantdislokation, som vi omtaler her,
vil let kunne bevæge sig gennem atommønsteret
i slipplanerne ved en kraftpåvirkning udefra,
f.eks. træk eller tryk. Den »tomme« plads vil løbe
som en bølge gennem krystallet, til den når kanten af krystallet eller korngrænsen, se tegningen, hvorefter dislokationen vil ophøre. I et udeformeret materiale er der op til ca. 1.000 dislokationer pr. cm2. Når et materiale er blevet deformeret, f.eks. bukket, vil der opstå en del nye dislokationer, helt op til 10.000 gange så mange
som fra begyndelsen. Da en del af de nu opstående dislokationer krydser hinanden, vil de låse
hinandens bevægelser, og materialet bliver stift.
Dette vil man kunne mærke, når man forsøger
at rette en bøjet metalstang til lige igen.
ma170-22.cdr
Dislokationsvandring ved deformation
Der er på denne måde sket en deformationshærdning, som øger styrken i metallet. Deformationshærdning anvendes til at forbedre styrken i
f.eks. kobber og aluminium, der ikke kan hærdes
på anden vis, samt til øgning af almindeligt billigt stål som armeringsjern til betonkonstruktioner, tentorstål m.m.
Industriens Forlag - Ma170.fm5 - 00 05 10
Metallernes atomare struktur og tilstandsformer
Vi har nu set, hvordan atomerne er opbygget, og
hvordan de samler sig i mere eller mindre perfekte systemer. Vi vil nu se på, hvordan metallerne samler sig fra flydende til størknet materiale.
Mikrostrukturer
Når metaller går fra smeltet til fast materiale,
vil det ved normal afkølingshastighed størkne
som en mængde uregelmæssige metalkorn.
Korndannelsen vil starte mange steder i det
smeltede materiale ved opbygning af enhedsceller, der vil danne en gitterstruktur, som under
rolige forhold vil udvikle sig i alle retninger i det
smeltende materiale. De forskellige gitre vil under udviklingen mødes, men vil ikke kunne samles til et hele, da gitrene mødes fra forskellige
retninger. Det sted, gitrene mødes, vil til slut
danne korngrænserne.
Kornstørrelsen har betydning for materialets
styrke, således at finkornet materiale har større
styrke end grovkornet. Det er muligt at være
medbestemmende på kornenes størrelse ved afkølingen af materialet. Køles materialet hurtigt,
vil det blive finkornet, dvs. at kornene bliver
mindre end ca. 0,01 mm i udstrækning. Ved almindelig, rolig afkøling i fri luft bliver kornstørrelsen i stål normalt ca. 0,10 mm.
Den her omtalte korndannelse fra smeltet til
størknet materiale kan delvis også foregå i udelukkende størknet materiale og kaldes rekrystallisation.
Rekrystallisation anvendes, når et materiale er
blevet deformationshærdet. Ved rekrystallisationsglødning søger man at gengive materialet sine oprindelige egenskaber ved at fjerne det store
antal dislokationer, der er opstået ved kolddeformationen.
For at opnå et godt resultat ved rekrystallisationsglødningen skal materialet have en deformationsgrad på mere end 20 til 25% varierende for
forskellige metaller. Er deformationsgraden
mindre, kan materialet blive grovkornet i stedet.
Rekrystallisationstemperaturen og holdetider
omtales under varmebehandling.
Tilstandsdiagrammer
Vi ved nu, at materialer kan forekomme i forskellige tilstande, fast, flydende og gasform.
Endvidere kan der inden for samme tilstandsform forekomme forskellige strukturer (faser),
som f.eks. jern over 910°C med kubisk fladecentreret krystalgitter og under med kubisk rumcentreret gitter. Ved at blande, legere, materialer vil man ofte kunne opnå nye egenskaber,
f.eks. større styrke m.m.
ma170-23.cdr
Skematisk fremstilling
af en krystallisation
© Industriens Forlag Ma170.fm5 - 00 05 10
For let at kunne overskue, hvordan et blandet
materiale vil opføre sig ved forskellige temperaturer, kan man opbygge et fase- eller tilstandsdiagram. Et meget brugt fasediagram er jernkulstofdiagrammet, som vi skal se på senere,
men først lidt om, hvordan et fasediagram bliver
opbygget.
13
Metallernes atomare struktur og tilstandsformer
Udarbejdselsen af fasediagrammer foregår ved
hjælp af smeltepunkter eller smelteintervaller
og afkølingskurver. Som vi husker fra naturlæren, vil et diagram for f.eks. vand se ud som denne tegning.
I legerede materialer er der intet smeltepunkt,
men et smelteinterval, hvor der forekommer
smeltet materiale og fast materiale på en gang,
selv om der fortsat tilføres energi.
°C
Afkøling
1.400
1.350
1.300
1.250
1.200
1.150
1.100
1.050
1.000
950
900
ma170-24.cdr
Opvarmningskurve for H2O
Som vi må huske, er der i rene materialer et
smeltepunkt, altså ingen temperaturstigning i
materialet, før alt er omdannet til den nye tilstandsform, selv om der fortsættes med tilførsel
af energi.
14
Størkning/smelte
Størknings/
smelteinterval
Fast
materiale
Begyndende størkning
kaldet liquidus = L
Størkningen afsluttet
kaldet solidus = S
Energi
ma170-25.cdr
Opvarmnings/afkølingskurve for
30% nikkel og 70% kobber
Ved at udarbejde et større antal forskellige kurver med forskelligt indhold af de ønskede legeringsmaterialer (her Ni og Cu) kan man fremstille et fasediagram, der dækker et helt område
for de ønskede legeringer.
Industriens Forlag - Ma170.fm5 - 00 05 10
Metallernes atomare struktur og tilstandsformer
Nikkel/kobber-diagrammet er et meget enkelt
diagram, hvor der kun findes få faser. Der er
fuldstænding opløselighed mellem Ni- og Cukrystallerne, de er blandingskrystaller. Et noget
mere kompliceret diagram er jern-kulstofdiagrammet.
I dette diagram forekommer der nemlig flere faser, både blandingskrystaller og krystaller, der
er opbygget af den kovalente forbindelse, (Fe3C)
samt flydende og faste faser. Opbygningen af
dette diagram foretages også for bestemmelse af
fasernes beliggenhed ved hjælp af afkølingskurver. Kendskab til jern-kulstofdiagrammet har
stor betydning i vort fagområde, både til hærdning og ved svejsning m.m. Vi skal derfor prøve
at se på opbygningen af dette fasediagram.
Anvendelse af diagrammet til varmebehandling
omtales under afsnittet »Varmebehandling«.
Til at belyse jern-kulstofdiagrammet vil vi tage
udgangspunkt tre steder (0,0% C, 1,0% C og
3,5% C) i det store jern-kulstofdiagram. Dette
dækker området fra 0 til 7% C, selv om jern med
mere end 5% C er uanvendeligt. Det lille jernkulstofdiagram går fra 0,0 til 2,05% C og dækker
det område, vi kender fra ulegeret stål.
© Industriens Forlag Ma170.fm5 - 00 05 10
Ved afkøling af jern med 0,0% C fra 1.600°C vil
vi få følgende faser:
Ved området fra 1.600 til 1.538°C vil det rene
jern være flydende og uden fast gitterstruktur.
Fra 1.538 og til 1.394°C vil jernet have dannet
krystalgitter med en kubisk rumcentreret enhedscelle, jernet kaldes her deltajern. Ved 1.394
og til 912°C omdannes det omtalte delta-jern til
gamma-jern eller austenit, som det også kaldes,
med en kubisk fladecentreret enhedscelle. Fra
912°C og til 0,0°C har jern igen en kubisk rumcentreret enhedscelle, jernet kaldes nu alphajern.
Det rene jern har altså mange forskellige faser,
disse har endvidere forskellige egenskaber. En
af de vigtigste egenskaber er fasernes evne til at
optage f.eks. kulstof ved forskellige temperaturer. Starter vi med at se på delta-jern, kan det
højst have 0,08% C opløst ved 1.499°C, se pkt. A.
Gamma-jern kan højst have en opløsning på
2,05% C ved 1.145°C, se pkt. E. Alpha-jern kan
højst have 0,025% C ved 723°C, se pkt. C.
Med disse opløsningsprocenter må en rest kulstof blive omdannet til noget andet. Lad os prøve
at tage et jernmateriale med 1,0% C og samme
temperaturforløb og se, hvilke ændringer der
sker med materialet.
15
Metallernes atomare struktur og tilstandsformer
Jern med 1,0% C vil ved 1.600°C være flydende
ned til 1.448°C. Som man kan se, vil kulstofindholdet bevirke, at der sker en sænkning af temperaturen, hvor jernet begynder at størkne. Fra
1.448 og til 1.340°C vil jernet bestå af austenitkrystaller og smeltet materiale. Ved 1.340°C vil
jernet være størknet og have austenitisk krystalstruktur. Denne struktur vil jernet have, til det
kommer lidt under S-E linien ved 790°C. Fra
790 og ned til 723°C vil der i austenit-korngrænserne dannes en ny struktur, kaldet cementit.
Denne krystalstruktur er ortorombisk og er altså en ny krystalstruktur. Cementit er jernkarbid
med kovalent binding, der er meget hård og
sprød. Den kemiske sammensætning er Fe 3C,
der skal altså anvendes tre jernatomer og et kulstofatom for at danne denne struktur. Cementitten har ved alle temperaturer, hvor den forekommer, et bestemt kulstofindhold på 6,68% C.
Man kan se, at det netop bliver denne kulstofprocent ved følgende regnestykke.
Fra den kemiske sammensætning så vi, at cementit bestod af tre jernatomer og et kulstofatom. Finder vi atommassen i grundstoftabellen
(Det periodiske system), ser vi, at jern Fe har
atommassen 55,8 og kulstof C har atommassen
12,00.
Den samlede atommasse bliver derved for 3 stk.
Fe og 1 stk. C: 3 × 55,8 + 12,00 = 179,4.
Ved almindelig procentregning ser vi, at kulstoffet udgør:
12
, 00 ⋅ 100
---------------------------------- = 6,688%
179, 4
af den samlede atommasse.
Ved passagen af linien C-K og ned vil den austenit, der ikke er omdannet til cementit, have et
kulstofindhold på 0,8% C. Jern med dette kulstofindhold vil, når det kommer under 723°C,
omdannes til en ny struktur, der kaldes perlit.
Perlitten har på grund af sin struktur, der skiftevis i lagene er det meget bløde Fe og meget
hårde og skøre Fe3C, en god trækstyrke, men en
lille sejhed. Et stål, som vi her ser på med 1% C,
vil derfor være vanskeligt at bearbejde. Da
perlitiske stål dog har mange gode egenskaber,
leveres de ofte i en anden struktur fra stålværkerne, strukturen kaldes sfærodiseret. Varmebehandlingen til denne struktur omtales under
varmebehandling.
Det sidste materiale, vi ser på i dette tilstandsdiagram, er jern med 3,5% C og er altså et materiale uden for det lille jern-kulstofdiagram, der
kun går op til ca. 2,05% C. Jern fra 2,05 og op til
5% C kaldes støbejern. Vi vil igen starte ved
1.600°C og gå ned til stuetemperatur.
Materialet vil fra 1.600 og til 1.240°C være i flydende form, her er der virkelig sket en sænkning
af størkningspunktet, som kan ses.
Når vi passerer linien ved de 1.240°C, begynder
jernet at størkne. Det smeltede materiale vil begynde at udskille austenitkrystaller, som indeholder maks. 2,05% C. Den overskydende mængde kulstof vil blive mere og mere koncentreret i
den resterende mængde smeltet materiale. Ved
overskridelse af E-F-linien er alt materialet
størknet, dels som austenitkrystaller, af hvilket
der vil være flest, og dels som en blanding af cementit- og austenitkrystaller. Ved fortsat afkøling vil austenitten omdannes til perlit og cementit. Som vi tidligere har set, var cementitten
hård og skør, og perlitten var også hård og dårlig
at bearbejde med almindeligt værktøjsstål.
Vi må derfor antage, at materiale med 3,5% C er
vanskeligt at bearbejde ved almindelig skærende
bearbejdning og bearbejdes da også oftest kun
ved slibning. Materialet kan dog ændres ved
specielle varmebehandlinger, så bearbejdningen
gøres lettere. Dette ser vi på i afsnittet om varmebehandling.
Perlitten består af Fe og Fe3C. Perlitstrukturen
er en lagdelt struktur, således at forstå, at den
danner plader skiftevis af Fe og Fe3C.
Ser man på en perlitstruktur under et mikroskop, kan strukturen ligne et fingeraftryk, hvor
stregerne skiftevis er Fe- og Fe3C-lameller.
16
Industriens Forlag - Ma170.fm5 - 00 05 10
Metallernes atomare struktur og tilstandsformer
Data for enkelte grundstoffer
Navn
Symbol
Krystalgitter
Aluminium
Al
Kubisk fladecentreret
Antimon
Sb
Rombohedralsk
Barium
Ba
Kubisk rumcentreret
Berylium
Be
Hexagonal
Bly
Pb
Kubisk fladecentreret
Bor
B
Tetragonal
Smeltepunkt
°C
Kogepunkt
°C
Massefylde
g/cm3
Atomdiameter
Å
660
2.330
2,7
2,86
630,5
1.440
6,68
2,92
704
1.640
3,5
4,35
1.280
2.770
1,82
2,23
327
1.740
11,34
3,50
2.030
2.550
3,6
1,98
Brint (hydrogen)
H
Hexagonal
-259
-253
~
0,92
Cadmium
Cd
Hexagonal
321
765
8,65
2,98
Calcium
Ca
Kubisk fladecentreret
838
1.440
1,55
3,94
Cerium
Ce
Kubisk fladecentreret
795
3.468
6,77
Fosfor (phosphor)
P
Rombohedralsk
Guld
Au
Kubisk fladecentreret
Ilt (oxygen)
O
~
-219
-183
~
2,71
Iridium
Ir
Kubisk fladecentreret
2.454
5.300
22,5
2,48
Jern
Fe
Kubisk rumcentreret (kubisk
fladecentreret)
1.536
3.000
7,87
2,55
Kobber
Cu
Kubisk fladecentreret
1.083
2.600
8,96
2,52
Kobolt (cobolt)
Co
Kubisk fladecentreret og
hexagonal
1.495
2.900
8,9
1,82
Chrom
Cr
Kubisk rumcentreret
1.875
2.665
7,19
2,50
Kulstof (diamant)
C
Kubisk
3.727
4.830
3,51
1,54
Kulstof (grafit)
C
Hexagonal
Kviksølv
Hg
Rombohedralsk
44
280
1,83
2,88
1.063
2.970
19,3
1,32
~
~
2,20
1,54
-38
357
13,55
3,00
Kvælstof (nitrogen)
N
~
-210
-196
~
1,42
Magnesium
Mg
Hexagonal
650
1.110
1,74
3,20
Mangan
Mn
Kubisk
1.245
2.150
7,43
3,20
Molybdæn
Mo
Kubisk rumcentreret
2.610
5.560
10,2
2,72
Nikkel
Ni
Kubisk fladecentreret
1.455
2.730
8,90
2,44
Niobium (columbium)
Nb
Kubisk rumcentreret
2.415
3.300
8,57
~
Platin
Pt
Kubisk fladecentreret
1.769
4.530
21,45
2,77
Silicium
Si
Kubisk
1.410
2.680
2,33
2,35
Svovl
S
Rombohedralsk
119
445
2,05
2,85
Sølv
Ag
Kubisk fladecentreret
961
2.210
10,5
2,88
Tantal
Ta
Kubisk rumcentreret
2.996
5.425
16,6
2,86
Tellur
Te
Hexagonal
450
990
6,24
2,74
Tin
Sn
Tetragonal
232
2.270
7,30
3,02
Titan
Ti
Kubisk rumcentreret og
hexagonal
1.668
3.260
4,51
2,94
Uran
U
Ortorombisk
1.132
3.818
19
2,76
Vanadium
V
Kubisk rumcentreret
1.900
3.450
6
2,63
Wismut (bismuth)
Bi
Rombohedralsk
271
1.560
9,8
3,11
Wolfram (tungsten)
W
Kubisk rumcentreret
3.410
5.930
19,3
2,74
Zink
Zn
Hexagonal
419,5
906
7,14
2,66
o
© Industriens Forlag Ma170.fm5 - 00 05 10
17