Nie łam się! – czyli dlaczego metal czasami zawodzi

Biorę do ręki drucik. Obracam go w palcach i zginam kilka razy. Drucik łamie się w łatwością. Coś z nim chyba jest nie tak, przecież metal to taki wytrzymały materiał. W poniższym artykule opowiadam o strukturze metalu i jego właściwościach. Wyjaśniam dlaczego czasami metal tak łatwo jest złamać, mimo że jego wytrzymałość i plastyczność wydaje się temu przeczyć.

Czytaj dalej

nauki przyrodnicze

o co chodzi?

Zapewne każdemu czytelnikowi nieraz zdarzyło się niechcący złamać jakiś niewielki metalowy przedmiot. Wystarczyło wziąć go do ręki i zgiąć kilka razy, nawet nie przykładając do tego dużej siły. Jasne, wszystko po pewnym czasie się niszczy, ale przecież metal słynie ze swojej wytrzymałości. Jest w stanie utrzymać ciężar tysięcy ludzi przechodzących po nim z jednego brzegu rzeki na drugi, a nawet wynieść człowieka w kosmos. Żeby zrozumieć skąd w metalu taka nieoczekiwana (na pierwszy rzut oka) właściwość, warto przyjrzeć się bliżej jego strukturze.

O czym mowa?

Metale stanowią większość znanych ludzkości pierwiastków. Mogą posiadać bardzo różne właściwości, mimo iż przyjmuje się, że chemicznie należą do jednej grupy. W temperaturze pokojowej mogą mieć formę bardziej lub mniej twardego ciała stałego (np. żelazo, lit) albo występować w stanie ciekłym (np. rtęć). W tym artykule skupimy się na metalach konstrukcyjnych i ich stopach, zostawiając pierwiastki takie jak lit czy rtęć na kiedy indziej (natomiast absolutnie nie odbierając im ich metalowości). To stopy żelaza, miedzi czy aluminium są bowiem najczęściej wykorzystywanym przez człowieka surowcem (Prowans, 2000).

Temat rzeka 

Tym, co łączy wszystkie metale, jest obecność w nich wiązań metalicznych, które spajają atomy pierwiastka i w dużej mierze odpowiadają za właściwości materiału. Model takiego wiązania wygląda następująco: rdzenie atomowe dodatnio naładowanego pierwiastka otoczone są gazem elektronowym naładowanym ujemnie. 

Rys. 1. Wiązanie metaliczne

Elektrony nie są trwale związane, a więc mogą swobodnie przepływać między rdzeniami, podobnie jak woda opływa kamienie w rzece. Ta cecha wiązania metalicznego tłumaczy dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne metali, które to opierają się na ruchu elektronów. Wiązania metaliczne należą do grupy wiązań silnych. Materiał ma więc dobre właściwości mechaniczne, takie jak twardość i wytrzymałość (Głowacka, 1996).

Kryształ – nie tylko w kredensie babci

Ważnym elementem struktury metali, który przybliży nas do wyjaśnienia powodu ich pękania, jest budowa krystaliczna. Metale nie są materiałami amorficznymi (choć stosując zaawansowane techniki metalurgiczne, również taką strukturę można otrzymać). Występują w postaci kryształów metalicznych, a więc ich mikrostruktura jest uporządkowana i tworzy sieć o ściśle określonym ułożeniu atomów (w przeciwieństwie do ciał amorficznych, w których atomy ułożone są w chaotyczny sposób). 

Rys. 2. Schemat uporządkowanej struktury w krysztale

Cechą charakterystyczną kryształów metalicznych jest plastyczność, dzięki której metale nie kruszą się natychmiast po przyłożeniu siły (Prowans, 2000). Możliwe jest ich formowanie i odkształcanie. Ale dlaczego to właśnie uporządkowana mikrostruktura metali odpowiada za takie właściwości? Przecież kryształy kojarzą się raczej z kruchymi, niezbyt elastycznymi minerałami albo babcinymi pucharkami na lody (które z prawdziwym kryształem – w sensie chemicznym – mają niewiele wspólnego, ponieważ są wykonane z tzw. szkła ołowiowego).

Nic nie jest doskonałe

W strukturze metali jest coś, co odróżnia je od innych kryształów, sprawia, że nie są idealne. Doskonale uporządkowana struktura powinna być taka sama w każdym punkcie przestrzeni. Nie powinno brakować żadnego atomu, albo być ich za dużo. Odległości między atomami powinny być równe. Są to cechy idealnego kryształu, którym metale jednak nie są. W ich strukturze występują wyżej wymienione niedoskonałości, nazywane defektami. Rozróżnia się wiele ich typów, spośród których wymienić można wakanse, dodatkowe atomy międzywęzłowe lub dyslokacje (Leonowicz, 2011).

Rys. 3. Defekty struktury krystalicznej, od lewej: wakans, atom międzywęzłowy, dyslokacja

Intuicyjnie wydawać by się mogło, że obecność defektów w strukturze nie jest pożądana. Sama nazwa wskazuje na negatywną ich rolę. W tym przypadku chłopski rozum działa jednak tylko częściowo poprawnie. Obecność defektów pozwala na bardziej swobodny ruch atomów w metalu, a co za tym idzie zwiększa plastyczność. W doskonale uporządkowanym materiale jest jak w tłumie. Ciężko się w nim poruszać, gdy brakuje do tego przestrzeni. Jeżeli jednak pojawi się kilka wolnych miejsc, tłum nieco rzednie i przemieszczanie się w grupie jest znacznie łatwiejsze. Aby materiał był plastyczny, potrzebuje właśnie takiej przestrzeni. Poruszające się atomy umożliwiają rozciąganie, zginanie, formowanie. Im większa obróbka plastyczna, tym więcej defektów powstaje. W ten sposób materiał zamiast kruszeć, wewnętrznie się „przegrupowuje”. Największą rolę w tym procesie mają dyslokacje, które zapewniają poślizg między przesuwającymi się w metalu grupami atomów (Leonowicz, 2011).

Więc jak to z tym pękaniem?

Plastyczność metalu ma swoje granice. Nie można zginać go wielokrotnie (przynajmniej na zimno), bo w końcu pęknie. Z czego to wynika? Najpierw przyjrzyjmy się tak zwanemu odkształcaniu na gorąco. W rozgrzanych metalach atomy poruszają się szybciej niż w temperaturze pokojowej. Jak już wiemy, odkształcanie generuje defekty, niezależnie od temperatury, w której ono zachodzi. Dzięki dużej swobodzie ruchu atomy w podwyższonej temperaturze z łatwością powracają na swoje miejsca, a więc ilość defektów pozostaje na stałym poziomie. Nowo powstałe defekty zanikają, a atomy na powrót porządkują się. Inną sytuację mamy w przypadku odkształcania na zimno. Atomy poruszają się wolniej, z mniejszą swobodą. Zginając miedziany drucik w temperaturze pokojowej, generujemy w nim defekty, a struktura materiału nie jest w stanie powrócić do uporządkowanej formy. Ponowne zginanie zwiększa coraz bardziej ich ilość. Zbyt duże zagęszczenie defektów (zwłaszcza dyslokacji) sprawia, że blokują one nawzajem swój ruch, a więc zwiększa się opór przeciwko odkształceniu (Leonowicz, 2011). Materiał staje się twardszy i bardziej kruchy, a efektem przyłożenia siły większej niż stawiany opór jest złamanie przedmiotu.

Warto zwrócić też uwagę, że metale, których temperatura topnienia jest relatywnie niska (np. ołów), w temperaturze pokojowej można zginać w zasadzie bez końca, gdyż dla nich będzie to odkształcanie na gorąco. Bardziej uważać trzeba z materiałami topiącymi się w wysokich temperaturach, takich jak żelazo, miedź i ich stopy.

Zjawisko pękania w niskiej temperaturze wyjaśnia nie tylko łamanie się niewielkich przedmiotów, takich jak druciki czy blaszki, ale też dużych elementów konstrukcyjnych. Historia zna przypadki, w których efekty nieznajomości albo zignorowania takiego zjawiska były katastroficzne w skutkach. Najlepszym przykładem może być przypadek Titanica, do którego produkcji użyto stali wysoce nieodpornej na odkształcanie w niskiej temperaturze. Mimo że znajomość tematu defektów w strukturze metali jest przydatna przede wszystkim inżynierom, również w życiu codziennym pozwala uniknąć niepotrzebnych zniszczeń. 



Opublikowano w dziale nauki przyrodnicze dnia 03 gru 2021

Podobał Ci się ten artykuł?
Żródła

Głowacka, M. (red.) (1996) Metaloznawstwo. Gdańsk: Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej. 

Leonowicz, M. (2011) Podstawy Nauki o Materiałach. Wydanie elektroniczne.

Prowans, S. (2000) Struktura stopów. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN.


Zdjęcie: W.J. Pilsak, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=197394