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みさきしまむね
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1 第二回目物質の結合と構造 : 物質の結合, 結晶構造, 結晶における欠陥生命医科学部医工学科バイオメカニクス研究室 ( 片山田中研 ) IN116N 田中和人内線 : 6408 アルミニウム原子番号 13 質量数 :26 陽子数 :13 中性子数 :13 電子数 :13 原子量 :26.98 アルミニウム材料工学 Ⅰ Biomechanics Laboratory 原子の構造 Ⅰa Ⅱa Ⅲb Ⅳb Ⅴb Ⅵb Ⅶb 0 1 H 水素 He ヘリウム 2 Li リチウム Be ベリリウム B ホウ素 ( ボロン ) C 炭素 N 窒素 O 酸素 F フッ素 Ne ネオン 3 Na ナトリウム Mg マグネシウム Al アルミニウム Si ケイ素 ( シリコン ) P リン S 硫黄 Cl 塩素 Ar アルゴン周期表周期表

structure): 構成原子やイオンの種類に依存圧力温度の外的条件が変化結晶相転移 (phase transformation) や融解熱力学的安定性を保つため体積などの物性が変化非晶質融液や蒸気などの乱れた状態を急速に凝固非晶質物質 :

2 1 物質の結合と構造 1 1 物質の結合 a. 結晶質と非晶質 b. 原子間結合力による結晶の分類 a. 結晶格子 b. 金属の結晶構造 c. セラミックスの結晶構造 d. 高分子の構造 a. 点欠陥 b. 転位 c. 面欠陥結晶質 : 固体を構成する原子またはイオンが規則正しい反復構造をもって三次元的に配列しているもの非晶質 : 反復構造をもたないもの反復構造の確認方法 :X 線などの電磁波による回折像 Ⅰ 機械材料の基礎結晶結晶構造 (crystal structure): 構成原子やイオンの種類に依存圧力温度の外的条件が変化結晶相転移 (phase transformation) や融解熱力学的安定性を保つため体積などの物性が変化非晶質融液や蒸気などの乱れた状態を急速に凝固非晶質物質 : 等方的性質温度変化全体の構造が一度に変化しない特定の融点がないガラス転移点 (glass transition temperature) で固体から液体の特性に連続的に変化結晶に比べて原子の充てん状態が悪い一般的に密度や弾性率などが結晶より低い構造の非連続性の結果ぜい性を示すことが多い

b. 原子間結合力による結晶の分類イオン結合 (ionic bond) 共有結合

(molecular bond) 水素結合 (hydrogen bond) イオン結合

陰イオン間のクーロン引力による強固な結合イオン間結合距離 : クーロン力 (Coulomb

3 b. 原子間結合力による結晶の分類イオン結合 (ionic bond) 共有結合 (covalent bond) 金属結合 (metallic bond) 分子結合 (molecular bond) 水素結合 (hydrogen bond) イオン結合 (ionic bond) 電子の授受による陽陰イオン間のクーロン引力による強固な結合イオン間結合距離 : クーロン力 (Coulomb s force) による引力と電子雲にる斥力とのバランス共有結合 (covalent bond) 最外殻電子が対をつくる強固な結合ダイヤモンドやグラファイトのように連続した網目構造一般に高い融点, 弾性率, 硬度金属結合 (metallic bond) 価電子が原子から離れて結晶全体に共有される自由電子 > 導電率, 熱伝導率最密充てん構造転位などの欠陥で原子の相対位置を変えることができる = 変形一般に延性や展性に富む炭素アルミニウム金属原子の有効半径 Al 1.43A =143pm=0.143nm

4 a. 結晶格子空間格子 (space lattice): 同じ大きさの平行六面体に分割単位胞 (unit cell), 単位格子 (unit lattice): 空間格子の最小の単位表つの結晶系 (i) 結晶格子における面と方向の表示ミラー指数 (Miller indices) 方向の表示 OE の場合の OA,OB,OC を単位胞の大きさ a でそれぞれ割った分数の比, 最小の整数で表す (OA/a,OB/a,OC/a) 111 方向を表す : 角括弧方向 CG 111,AF 111,DB 111,EO 111 同型の方向群をまとめて 111 方向は, ベクトルと考えれば簡単図 1.1 単位胞の面の表示図 1.3 方向の表示 (i) 結晶格子における面と方向の表示ミラー指数 (Miller indices) 面の表示各切片と, その切片が属する単位胞の各大きさ a,b,c の比の逆数平面 A'B'C (a/oa',b/ob',c/oc'), 三つの最小の整数比例 OA,OB,OC の切片をもつ平面は (a/oa,b/ob,c/oc) (111) 面 DEGA は (a/oa,b/,c/ ) (100) 面 ABC (111), 面 ABE (111), 面 CEA (111), 面 CEB (111) 同型の面群はまとめて {111} 指数の上の負号 : 面が原点 O の負側の軸上で交わる面 : 垂直は方向ベクトルで表すとも考えられる (iii) 結晶による Ⅹ 線回折 X 線回折金属や合金の結晶構造, 金属結晶内の格子欠陥および応力の測定 Bragg の式あるいは Bragg の法則 X 線は電磁波であり, その波長が散乱中心 ( 結晶内原子 ) 間の距離とほぼ同じオーダの値のときに回折現象が生じる 2dsin θ = nλ ( nは整数 ) 図 1.2 立方晶系格子の主要面のミラー指数図 1.8 X 線の回折条件

5 X 線回折により結晶材料のひずみを測定残留応力微視的変形機構 2dsinθ= nλ b. 金属の結晶構造 (i) 体心立方構造, 面心立方構造およびちゅう密六方構造大多数の金属 (7 割程度 ) 体心立方構造 (body centered cubic structure) 面心立方構造 (face centered cubic structure) ちゅう密六方構造 (hexagonal close packed structure) Au, Ag, Cu, Al, Ni, Pt, γ-fe α-fe, Mo, W, V, β-ti, β-zr Mg, Zn, α-co, α-ti, α-zr X 線応力測定法体心立方構造 (body centered cubic structure): bcc 原子 : 単位胞の体隅と体心の位置ちゅう密方向 : 111 方向格子定数は a=4r/ 3, 110 方向の原子間隔は 2a 面心立方構造 (face centered cubic structure):fcc 原子 : 単位胞の六個の体隅と六個の面心の位置ちゅう密方向 : 110 格子パラメータ a=2 2r 最ちゅう密面 {111}: 積層順序は ABCABC 図 1.9 体心立方 (bcc) 構造の原子配列図 1.10 面心立方 (fcc) 構造の原子配列

6 ちゅう密六方 ((hexagonal close packed structure) 構造 : hcp 面心立方構造の (111) 面と同じちゅう密面を,ABABAB の順序に積層原子 : 単位胞の各かどと,2a/3,a/3,c/2 に位置する原子の剛体球モデルでは c 軸と a 軸の軸比は 2 (2/3)=1.633 になるが, 実在金属では 1.57 と 1.85 の間の値 (0001) 面 : 底面配位数, 単位胞中の原子数と最近接原子間距離配位数 : 原子のまわりに等距離に近接して存在する最近接原子の数単位胞中に含まれる原子の数 : 結晶構造原子を剛体球, 結晶を剛体球が互いに接した集合体原子半径は最近接原子間距離の 1/2 表 1.2 結晶構造と配位数, 単位胞中の原子の数および最近接原子間距離図 1.11 ちゅう密六方構造の原子配列試料への電子線照射回折パターンの画像処理結晶粒の方位解析結晶粒界, 結晶粒の解析 Specimen Electron beam (ii) 規則構造固溶体 ( 合金 ) A 金属に B 元素を加えて溶解, 凝固,B 元素がある限度に達するまで置換型固溶体 (substitutional solid solution):a 金属の結晶構造のまま,A 金属の結晶を構成する A 原子を B 原子が無秩序に置換 B 元素が金属元素の場合に多い Stage Image analysis 侵入型固溶体 (interstitial solid solution): A 金属の結晶構造のまま, A 金属の結晶の格子間位置に B 原子が無秩序に侵入一般にその格子は A 金属に比較して多少非等方的にひずんでいる B 元素が非金属元素の場合に形成されることが多い Fe に C( 鋼になる ) や N が固溶,Ni に C が固溶 EBSP 法 : 電子後方散乱回折像法

7 (ii) 規則構造置換型合金中の B 元素の濃度がある値を越えると規則状態 (ordered state) B 原子が規則性のある配列規則格子 (superlattice) 図 (a): 体心立方構造の単位胞の体隅と体心が異なる原子で占められた構造図 (b): 面心立方構造の単位胞の体隅と面心にそれぞれ異なる原子が位置する構造図 (c): それぞれの原子で構成される (001) 原子面が交互に [001] 方向に積層, 結晶構造は立方晶ではなく正方晶に図 1.12 規則格子構造丸棒の引張試験 σ B σ f σ 0.2 σ 加工硬化引張強さ破断強度 0.2% 耐力除荷 σ B σ f σsu σ SL σ 絞り Ao Af ϕ = A 上降伏点下降伏点 o 100 格子欠陥 (lattice defect,lattice imperfection): 結晶格子内の原子配列不整点欠陥 (point defect) 線欠陥 (line defect) 面欠陥 (plane defect) 構造鈍感 (structure-insensitive) な性質 : 欠陥によってあまり影響を受けない構造敏感 (structure-sensitive) な性質 : 転位の挙動によって敏感に変化する結晶のすべり, 降伏, 加工硬化, 破壊等の現象表 1.3 構造鈍感, 敏感な性質 0.2% 塑性ひずみ ε B ε f ε 破断伸び ε B ε f ε 公称応力公称ひずみ線図

a. 点欠陥 (point defect) 温度の上昇あるいは下降によってその数が増減する原子空孔 (vacancy): 格子の正常位置にあった原子がぬけた空孔格子間原子 (interstitial atom): 格子の正常な位置と位置の間に入り込んだ原子金属の性質に与える影響原子の拡散 : 原子空孔媒介として行われる点欠陥の存在 :

8 a. 点欠陥 (point defect) 温度の上昇あるいは下降によってその数が増減する原子空孔 (vacancy): 格子の正常位置にあった原子がぬけた空孔格子間原子 (interstitial atom): 格子の正常な位置と位置の間に入り込んだ原子金属の性質に与える影響原子の拡散 : 原子空孔媒介として行われる点欠陥の存在 : 金属の強度に大きく影響中性子線照射により導入された格子間原子による金属の硬化, じん性低下 b. 転位 (i) 転位の定義と性質線欠陥 (line defect) 金属の変形 : 結晶の特定な面に沿い, かつ特定な方向に沿って原子がずれる, すべり変形転位 : すべった領域とまだすべっていない領域の間に存在する線状の欠陥実在結晶のすべり : 転位の移動によって徐々にすべる図 1.18 結晶中の点欠陥図 1.19 実在結晶のすべり ( 印は転位を示す ) 絨毯の移動でよく説明されるバーガースベクトル (Burgers vector)b ラインベクトル (line vector)ξ: 転位線の方向を表すベクトルで, 転位線 (dislocation line) に沿う単位ベクトル ξ b: 刃状転位刃状転位線とすべりの方向は直角 ξ//b: らせん転位 (screw dislocation) 転位線とすべりの方向は平行 ξ b や ξ//b 以外 : 混合転位 (mixed dislocation) 図 1.20 刃状転位のバーガースベクトルを定義するバーガース回路転位のラインベクトルは紙面に垂直で視線と逆方向バーガースベクトル完全結晶 : 転位線の周りにξに関して右手系の閉回路 ( バーガース回路 ) A B C D E A 転位を含む結晶 : 閉回路の一辺の長さ ( 原子間隔を単位とする長さ, たとえばBCは8 単位長さとなる ) を変えないで, 同じ回路を描いたときの起点 Aと終点 A とのずれのベクトル図 1.21 混合転位のバーガース回路刃状転位とらせん転位

c. 面欠陥 (i) 積層欠陥 (stacking fault) 積み重ね (stacking

9 c. 面欠陥 (i) 積層欠陥 (stacking fault) 積み重ね (stacking order) の乱れているところ面心立方結晶最ちゅう密面 (111) の積み重ね ABCABC ABCACABC のようになるとき, 中央部 CACA の部分をいう (ii) 双晶境界双晶の境界双晶は双晶面を境にして鏡像の関係 ABCABC の ABCA:B:ACBA (iii) 結晶粒界個々の結晶が核から成長してお互いにぶつかった場合の結晶と結晶との境界転位や空孔の集まり a. 変形前の結晶に外力を作用 b. 原子間の距離が安定な位置から伸びたり縮んだりするだけの場合, 外力を除くと原子は安定な元の距離に戻り, 元の形状に戻る. 弾性変形 c. せん断力によりある原子面上で安定な距離を超えてすべり変形が生じ, 別の原子と新たに安定な距離を保つような状態になると外力を除いても変形が残る. 塑性変形結晶すべりと塑性変形

Microsoft PowerPoint - 10JUL13.ppt

Microsoft PowerPoint - 10JUL13.ppt 無機化学 03 年 4 月 ~03 年 8 月水曜日時間目 4M 講義室第 3 回 7 月 0 日ミラー指数面の間隔 X 線回折ブラッグの法則 (0 章材料 : 固体 ) 結晶構造担当教員 : 福井大学大学院工学研究科生物応用化学専攻教授前田史郎 E-mil:sme@u-fukui.c.jp URL:http://cbio.cbio.u-fukui.c.jp/phychem/me/kougi