💎 Krystalová stavba kovů

Atomy v mřížce

O čem to je

Když zlomíš litinovou tyč, na lomu uvidíš drobná zrníčka. Kov není „jednolitá hmota“. Skládá se z miliard atomů seřazených do pravidelných vzorů a z malých krystalků – zrn.

Na tom, jak jsou atomy uspořádané, závisí, jestli je kov tvárný nebo křehký. A díky tomu, že železo umí uspořádání měnit, jde ocel kalit.

Nové pojmy

AtomNejmenší částice prvku. V kovu jsou atomy natěsno vedle sebe a drží je pohromadě kovová vazba.Kousek železa je tvořený jen atomy železa (a trochou příměsí).
Kovová vazbaAtomy kovu odevzdají část elektronů do společného „mraku“. Kladně nabité zbytky atomů (ionty) drží tenhle mrak elektronů pohromadě. Volné elektrony vedou proud a teplo.Proto kovy dobře vedou elektřinu.
Krystalová mřížkaPravidelné prostorové uspořádání atomů, které se stále opakuje – jako kostky v regálu.Atomy hliníku leží v pravidelné krychlové síti.
Elementární buňkaNejmenší kousek mřížky, ze kterého se poskládáním vedle sebe postaví celý krystal.Krychle s atomy v rozích a ve středu.

Tři nejčastější mřížky kovů

MřížkaKde jsou atomyKovy
kubická prostorově středěná (K8)8 rohů krychle + 1 ve středuFe α, Cr, W, Mo, V
kubická plošně středěná (K12)8 rohů + 6 středů stěnFe γ, Al, Cu, Ni, Ag, Au, Pb
šesterečná těsně uspořádaná (H12)šestiboký hranolZn, Mg, Ti α

Kovy s plošně středěnou mřížkou (hliník, měď, zlato) bývají velmi tvárné. Mají v mřížce nejvíc rovin, po kterých mohou vrstvy atomů klouzat.

Kolik atomů patří jedné buňce kubické prostorově středěné mřížky?
Atom v rohu sdílí 8 sousedních buněk, takže buňce patří 1/8. Rohů je 8: 8 · 1/8 = 1. Plus 1 celý atom ve středu. Celkem 2 atomy.
Kolik atomů patří jedné buňce kubické plošně středěné mřížky?
Rohy: 8 · 1/8 = 1. Atom ve středu stěny sdílí 2 buňky: 6 · 1/2 = 3. Celkem 4 atomy. Mřížka je hustěji zaplněná.

Železo mění mřížku

Polymorfie (alotropie)Schopnost prvku mít při různých teplotách různou krystalovou mřížku.Železo je za pokojové teploty Fe α, nad 912 °C se mění na Fe γ.
TeplotaModifikace železaMřížka
do 912 °CFe αprostorově středěná
912–1 394 °CFe γplošně středěná
1 394–1 538 °CFe δprostorově středěná
nad 1 538 °Ctavenina–

Na této přeměně stojí tepelné zpracování ocelí. Fe γ rozpustí mnohem víc uhlíku než Fe α. Při rychlém ochlazení uhlík nestihne „utéct“ a vznikne tvrdá struktura – kalení.

✗Kov je uvnitř jeden velký dokonalý krystal.
✓Kov se skládá z mnoha malých zrn a v mřížce jsou poruchy.

Při tuhnutí roste krystal z mnoha zárodků najednou. Kde se zrna potkají, vzniknou hranice zrn.

Atomy kovu tvoří krystalovou mřížku: kubickou prostorově středěnou, kubickou plošně středěnou nebo šesterečnou. Železo mění mřížku s teplotou (Fe α ↔ Fe γ) a na tom stojí kalení ocelí.

Od taveniny ke zrnu

O čem to je

Sleduj, co se děje s kovem od tekuté lázně po hotový ingot. Pochopíš, proč má kov zrna, proč je jemnozrnný kov lepší a proč se kov dá ohnout.

Nové pojmy

Krystalová mřížkaPravidelné prostorové uspořádání atomů v kovu, které se stále opakuje. Nejmenší opakující se kousek je elementární buňka.Atomy mědi leží v rozích a ve středech stěn krychlí.
KrystalizaceTuhnutí kovu: atomy se z neuspořádané taveniny řadí do pravidelné mřížky.Odlitek tuhne ve formě od stěn ke středu.
ZárodekMalý shluk atomů, už uspořádaný jako krystal. Od něj krystal roste.Při rychlém chladnutí vznikne zárodků hodně.
ZrnoJeden krystalek, který vyrostl z jednoho zárodku. Uvnitř má mřížku natočenou jedním směrem.Zrna oceli mají velikost setin milimetru.
Hranice zrnTenké místo, kde se dvě zrna s různě natočenou mřížkou dotýkají. Atomy jsou tu méně uspořádané.Na výbrusu pod mikroskopem vypadají jako síť čar.

Krystalizace krok za krokem

Tavenina chladne, atomy se pohybují volně.
Při teplotě tuhnutí vzniknou první zárodky.
Na zárodky se přidávají další atomy, krystaly rostou.
Krystaly do sebe narazí – vzniknou hranice zrn.
Tavenina zmizí, kov je tuhý a složený ze zrn.

Čistý kov tuhne při jedné teplotě. Na křivce chladnutí (teplota v čase) je proto vodorovná prodleva: uvolňuje se skupenské teplo a teplota se chvíli nemění.

Proč se z jednoho odlitku po rychlém ochlazení stane jemnozrnný kov?
Rychlé ochlazení → vznikne mnoho zárodků najednou → každý zárodek má málo místa k růstu → zrna jsou malá. Pomalé ochlazení dá málo zárodků a velká zrna.

Jemné zrno je lepší: kov je pevnější i houževnatější, protože hranice zrn brzdí šíření trhlin i posouvání vrstev atomů.

Poruchy mřížky a tvárnost

Poruchy mřížkyMísta, kde je mřížka nedokonalá: chybí atom (vakance), atom je navíc mezi ostatními (intersticiální atom), nebo je „posunutá“ celá řada atomů (dislokace).Kov bez poruch by byl mnohem pevnější, ale nedá se tak vyrobit.

Když kov ohneš, posouvají se v něm dislokace a vrstvy atomů po sobě kloužou. Proto se kov dá trvale přetvořit a nepraskne. Čím víc dislokací, tím víc se navzájem blokují – kov se při tváření za studena zpevňuje.

Tuhý roztokKrystal, ve kterém jsou v mřížce jednoho kovu rozpuštěné atomy jiného prvku. Substituční: cizí atom nahradí původní (Ni v Cu). Intersticiální: malý atom se vejde do mezery (C v železe).Uhlík v železe tvoří intersticiální tuhý roztok.
Typy mřížek kovůKubická prostorově středěná: atomy v rozích krychle a jeden uprostřed (železo α do 912 °C, chrom, wolfram). Kubická plošně středěná: atomy v rozích a ve středech stěn (hliník, měď, železo γ nad 912 °C). Šesterečná: šestiboký hranol (zinek, hořčík).Železo mění mřížku s teplotou – tomu se říká polymorfie.

Doplň mezery a ověř si, co sis zapamatoval.

✗Hrubé zrno je lepší, protože je kov „kompaktnější“.
✓Jemné zrno dává větší pevnost i houževnatost.

Více hranic zrn znamená víc překážek pro dislokace a trhliny.

Kov tuhne krystalizací ze zárodků a skládá se ze zrn oddělených hranicemi. Rychlé chladnutí dá jemné zrno, které je pevnější a houževnatější. Plastická deformace je pohyb dislokací.
🧪Zkoušky materiálů📈Diagram železo–uhlík