Question:
Pourquoi les métaux ne se lient-ils pas lorsqu'ils sont touchés?
jcw
2013-11-20 00:29:01 UTC
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Je crois comprendre que les métaux sont un réseau cristallin d'ions, maintenus ensemble par des électrons délocalisés, qui se déplacent librement à travers le réseau (et conduisent l'électricité, la chaleur, etc.).

Si deux morceaux du même métal sont touchés, pourquoi ne se lient-ils pas?

Il me semble que les électrons délocalisés se déplaceraient d'un métal à l'autre, et prolongeraient la liaison, maintenant les deux pièces ensemble. Si les électrons ne se déplacent pas librement d'une pièce à l'autre, pourquoi cela ne se produirait-il pas lorsqu'un courant est appliqué (à travers les deux pièces)?

Je me souviens avoir entendu quelque chose sur le fait que c'était un problème dans l'espace lors de la coupe du métal qu'il pouvait fusionner parce que la couche extérieure ne s'oxydait pas (pas d'oxygène, allez comprendre) ou quelque chose du genre.
Je veux juste demander: avez-vous pensé à poser cette question à cause de l'impression 3D?
@cinco, non - j'ai commencé à m'interroger à ce sujet dans un cours de physique sur les matériaux il y a quelques mois et cela me dérangeait depuis. Qu'est-ce que cela a à voir avec l'impression 3D?
@jcw J'ai évoqué l'impression 3D car ce principe, fondamentalement le soudage à froid, associé au nanotraitement, a un grand potentiel (à mon avis) dans l'impression 3D des métaux. L'impression 3D est l'avenir de l'industrie, et trouver de nouveaux matériaux et procédés capables de répondre aux besoins réels est le défi d'aujourd'hui. Le fait que les métaux puissent souder à froid est l'un des principes qui peuvent être fondamentaux dans cette évolution
IIRC, vous pouvez très bien le faire avec de l'or, pour les raisons mentionnées ci-dessous: 2) l'or ne s'oxyde pas; il est assez doux, ce qui signifie que 1) les liaisons ne sont pas aussi fortes (et aussi difficiles à créer compte tenu de la barrière à faible énergie) et 2) une petite pression suffit pour réduire la rugosité de la surface.
Deux morceaux de mercure se lient assez bien ;-)
Dix réponses:
#1
+246
Hasan
2013-11-20 00:37:07 UTC
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Je pense que le simple toucher ne rapproche pas suffisamment les surfaces. La surface d'un métal n'est généralement pas parfaite. Peut-être qu'il a une couche d'oxyde qui résiste à tout type de réaction. Si le métal est extrêmement pur et si vous en rapprochez deux morceaux extrêmement rapprochés, ils se rejoindront. C'est aussi appelé soudage à froid.

Pour plus d'informations:

Je crois que des dalles de verre extrêmement propres et plates se lieront également lorsqu'elles sont placées en contact, mais pour une raison tout à fait différente de celle des ponts d'électrons délocalisés.
Il existe même un ancien outil d'ingénierie, un ensemble de parallélépipèdes métalliques pour mesurer la longueur (quelque chose comme des poids pour la pondération). Ils sont si polis qu'ils se soudent presque au toucher. Edit: trouvé! C'est ce qu'on appelle des "blocs de jauge". http://en.wikipedia.org/wiki/Gauge_block
Il y a un grave manque de vidéos à ce sujet sur Youtube
* "Cela s'appelle aussi le soudage à froid." * Cela fait également partie de ce qui se passe dans le grippage des attaches filetées. Un point qui peut revenir beaucoup dans l'assemblage de pièces ultra-propres pour des expériences à faible bruit de fond en physique des particules.
Les cales de jauge @polkovnikov.ph sont autant «un ancien outil d'ingénierie» qu'une automobile est une ancienne forme de transport. Les deux datent de la juste avant le début du 20e siècle et sont toujours en usage.
Je pense que le point sur les blocs de jauge (également appelés blocs de Johanssen) devrait être fait avec plus de force. Ce sont des blocs métalliques dont les surfaces sont rectifiées si parfaitement plates que deux blocs adhéreront s'ils sont simplement pressés ensemble. [Wikipedia dit] (https://en.wikipedia.org/wiki/Gauge_block#Wringing): «* Wringing * est le processus de glissement de deux blocs ensemble afin que leurs visages se lient légèrement. En raison de leurs surfaces ultraplates, lorsqu'ils sont essorés, les blocs de jauge adhèrent étroitement les uns aux autres. Les blocs correctement essorés peuvent résister à une traction de 75 lbf (330 N) ».
Des surfaces métalliques très propres se sont soudées ensemble sous un vide ultra-poussé.Les surfaces étaient lisses, mais pas trop.C'étaient des ajustements de friction pour un canon à électrons.Cela se produit également dans l'espace extra-atmosphérique.La solution?(a) ajouter de la saleté non volatile, telle que du «molyse sèche», du bisulfure de molybdène, ou (b) enduire les surfaces de différents métaux, comme l'argent sur l'un, l'aluminium sur l'autre, ou (c) utiliser différents métaux.Cette forme de soudage à froid est accélérée lorsque la chambre à vide est éteinte pour éliminer les derniers restes de vapeur d'eau.
Avec un marteau, vous pouvez convaincre les électrons de passer d'une pièce à l'autre et former une soudure à froid faible
#2
+175
jinawee
2013-11-20 00:36:20 UTC
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Ils le font, comme Feynman l'a dit. Si vous avez deux pièces de cuivre parfaitement polies et que vous les mettez en contact, elles se souderont automatiquement (les atomes de cuivre ne sauront pas à quelle pièce ils appartenaient).

Mais dans la vraie vie, les huiles, oxydes et autres impuretés ne permettent pas ce processus.

Je l'ai trouvé! Lisez les propres mots de Feynman (où $ \ mu $ = coefficient de frottement):

Si nous essayons d'obtenir du cuivre absolument pur, si nous nettoyons et polissons les surfaces, dégazer les matériaux dans le vide, et prenez toutes les précautions imaginables, nous n'obtenons toujours pas $ \ mu $. Car si nous inclinons l'appareil même en position verticale, le curseur ne tombera pas - les deux morceaux de cuivre collent ensemble! Le coefficient $ \ mu $, qui est ordinairement inférieur à l'unité pour des surfaces raisonnablement dures, devient plusieurs fois l'unité! La raison de ce comportement inattendu est que lorsque les atomes en contact sont tous de même nature, il n'y a aucun moyen pour les atomes de «savoir» qu'ils sont dans des morceaux de cuivre différents. Lorsqu'il y a d'autres atomes, dans les oxydes et les graisses et dans les couches superficielles minces plus complexes de contaminants entre les deux, les atomes «savent» lorsqu'ils ne sont pas sur la même pièce. Quand on considère que ce sont les forces entre les atomes qui maintiennent le cuivre ensemble en tant que solide, il devrait devenir clair qu'il est impossible d'obtenir le bon coefficient de frottement pour les métaux purs.

Le même phénomène peut être observé dans une expérience artisanale simple avec une plaque de verre plate et un gobelet en verre. Si le culbuteur est placé sur le plateau et tiré avec une boucle de ficelle, il glisse assez bien et on peut sentir le coefficient de frottement; c'est un peu irrégulier, mais c'est un coefficient. Si nous mouillons maintenant la plaque de verre et le fond du gobelet et tirons à nouveau, nous constatons qu'il se lie, et si nous regardons de près, nous trouverons des rayures, car l'eau est capable de soulever la graisse et les autres contaminants de la surface, et alors nous avons vraiment un contact verre à verre; ce contact est si bon qu'il tient fermement et résiste tellement à la séparation que le verre se déchire; c'est-à-dire qu'il fait des rayures.

Source: http://www.feynmanlectures.caltech.edu/I_12.html

Mais que se passerait-il si un courant traversait les deux métaux? Cela ne ferait-il pas passer les électrons à travers eux, créant ainsi un lien?
@jcw Un courant signifie simplement qu'il y a un mouvement de masse du nuage d'électrons - il n'y a ni plus ni moins d'électrons pour lier les choses, et ils ne passent probablement pas plus de temps que d'habitude à relier l'interface.
@ChrisWhite - il est donc clair que certains électrons se croisent entre les deux métaux. Qu'est-ce qui empêche ces quelques-uns de lier les deux côtés ensemble?
@jcw - les électrons libres ne peuvent pas former de liaison. les électrons qui sont dans une orbitale créent une liaison par des orbitales essentiellement «à temps partagé» appartenant à des noyaux voisins.
@jcw Par curiosité, les électrons ne peuvent passer la couche d'oxyde que par effet tunnel.
Donc, en termes de physique de base, les électrons peuvent passer à travers la couche d'oxyde, mais n'ont aucun effet sur les ions de chaque côté pendant qu'ils passent, n'est-ce pas?
J'en ai été témoin, avec des blocs de jauge de hauteur extrêmement précis qui avaient une finition incroyablement plate. Les tenir ensemble pendant 30 secondes environ les rendait difficiles à séparer. Assez étonnant à voir. Mon conférencier l'a appelé «soudage à froid».
@jcw Un courant électrique peut traverser les couches d'oxydation. Cela s'appelle * fritting *. Bien que ce ne soit pas un exemple de soudage, cela explique pourquoi les contacts électriques à haute tension n'ont pas besoin d'être entretenus beaucoup. Même une prise d'appareil assez ternie, par exemple, fonctionnera correctement. Mais, disons, les connecteurs à petit signal (par exemple audio) ne fonctionneront pas bien s'ils ne sont pas propres et polis. (Il est bon que les connecteurs haute tension soient également en bon état, de sorte que le frittage ne soit pas trop fiable. Une résistance de contact initiale élevée qui doit être cassée peut brièvement générer de la chaleur.)
@deed02392 Notez que les grands objets plats pressés ensemble sont également difficiles à séparer simplement en raison de la pression atmosphérique. L'espace entre eux est un vide et l'air doit se précipiter lorsque vous les séparez. Au début de la séparation, la crevasse par laquelle l'air peut pénétrer est petite.
-1
Quel est le $ \ mu $ auquel il fait référence?
AiligfsmufCMT Coefficient de friction.
#3
+35
Manishearth
2013-11-20 03:51:53 UTC
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Deux raisons:

  • Oxydes
  • La rugosité de la surface

Si la surface est rugueuse, alors la majorité des la surface touche l'entrefer entre les deux, pas la surface opposée. Une liaison peut se former au niveau des "pics" en contact, mais elle sera faible par rapport au reste du métal car une très petite fraction de la surface s'est effectivement liée.

De plus, les surfaces métalliques adsorbent l'oxygène et forment des monocouches oxydes / oxygène sur la surface. Il s'agit en fait d'un processus visible avec des métaux comme le sodium et le potassium (la couleur change en peu de temps). Mais pour tous les métaux, il y a encore formation d'oxyde dans une mesure suffisante, car les métaux de bord n'ont pas complètement rempli leurs valences. Même une monocouche d'oxygène adsorbé suffit pour empêcher les surfaces de se souder.

Si deux surfaces métalliques propres et plates sont réunies (généralement sous vide), elles effectuent effectivement une soudure à froid. Ceci est difficile à réaliser pour les objets macroscopiques en raison de l'exigence de planéité parfaite, mais cela reste possible. En pratique, il est plus couramment utilisé pour souder de petites choses.

"tous les métaux"? Même l'or a une couche d'oxyde appréciable?
@ChrisWhite Appréciable = assez pour arrêter le soudage. L'or ne forme pas une couche entière d'oxydes, mais il formera une monocouche d'oxygène et d'autres choses. Ce que j'appelle "couche d'oxyde" (ne devrait probablement pas, éditera)
#4
+24
lionelbrits
2013-11-20 00:43:33 UTC
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Je pense que c'est essentiellement ce qui se passe dans la dorure, en raison des propriétés spéciales de l'or (malléabilité et absence de corrosion).

Les surfaces extrêmement planes peuvent se coller ensemble en raison des aux forces de Van der Waals ainsi qu'à la pression atmosphérique. Une fois, j'ai accidentellement collé deux fenêtres optiques en quartz ensemble et j'ai eu un sacré temps à les séparer.

IIRC C'est aussi la façon dont les pépites d'or se forment dans les rivières via l'agrégation d'or particulaire.
@Random832 Cela semble être faux (bien que ce soit probablement une théorie courante et qu'elle ait du sens).https://en.wikipedia.org/wiki/Gold_nugget#Formation Il semble que lorsqu'ils ont examiné la structure du grain, cela correspondait à un fragment de filon qui a été altéré, par rapport aux grains de particules soudés à froid.
#5
+24
user33972
2013-11-20 12:36:33 UTC
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Je ne peux pas faire de commentaire car je n'en ai pas la réputation, mais j'ai des connaissances pertinentes issues de mes recherches en science des matériaux.

Pour ajouter à ce que DumpsterDoofus a dit, c'est très facile à coller pour deux morceaux de verre ou de polymère si vous les nettoyez extrêmement bien et ionisez la surface. Recherchez polymérisation plasma.

De plus, vous seriez surpris de la quantité de "crasse" qui se trouve réellement à la surface d'un morceau de matériau donné dans des conditions atmosphériques standard. Il y a une raison pour laquelle de nombreuses techniques de caractérisation des matériaux de surface nécessitent un vide ultra-poussé, car je me souviens qu'il s'agit d'environ 1 couche atomique / seconde de dépôt sous $ 10 ^ {- 6} \, \ mathrm {torr} $ ( source). Si vous voulez que deux métaux se lient sans appliquer de chaleur ou de force, vous aurez besoin d'un meilleur vide, puis de nettoyer la couche d'oxyde.

Vous seriez également surpris de la quantité de matière organique couvrant la surface de tout ce qui vous entoure. Vos doigts produisent de l'huile et ils collent à la surface de tout ce que vous touchez, et votre peau morte s'écaille tout le temps et recouvre les choses autour de vous. Vous pouvez le remarquer si vous prenez un échantillon métallique dans un SEM et que vous tirez des électrons dessus pour obtenir une image de la surface. S'il y a de la matière organique à la surface, après un certain temps, la zone où vous avez tiré des électrons deviendra sombre, vous pouvez le remarquer si vous effectuez un zoom arrière ou un panoramique. Cela est dû à une contamination par les hydrocarbures, généralement due aux huiles sur vos doigts.

#6
+16
Steven Rogers
2013-11-20 02:10:11 UTC
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Les métaux avec des surfaces parfaitement propres se lieront ensemble comme vous l'avez expliqué, mais ce n'est pas le cas dans la vraie vie car il y a une fine couche d'oxygène bloquant la surface du métal.

Tout comme la rouille se forme, de fines couches d'oxygène recouvrent chaque surface métallique au contact.

Je crois comprendre que sur de très longues périodes de temps, les métaux se lieront. Je suis sûr que les anciens trésors et métaux trouvés dans les tombes ont été retrouvés liés.
@BrandonEnright généralement dans ma compréhension ce qui les lie ensemble est la fusion des couches d'oxyde sur les éléments individuels, pas les éléments eux-mêmes soudés à froid ensemble.
@jwenting peut-être pour les trésors anciens oui, mais les surfaces sous pression ne se souderaient-elles pas à froid ensemble au fil du temps en raison de la diffusion, même s'il y avait une couche d'oxyde?
#7
+6
jb.
2013-11-20 02:17:07 UTC
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La liaison est bien plus qu'un échange d'électrons. Surtout parce que les électrons qui font partie du nuage d'électrons ne participent pas aux liaisons cristallines.

Tous les métaux sont essentiellement des cristaux --- ils ont un treillis approprié, pour souder deux parties, vous les auriez à construire un treillis commun (au moins là où ils sont soudés). Lorsque vous soudez correctement, vous créez une phase liquide entre (par la chaleur ou le courant) qui cristallise.

Je me trompe peut-être, mais cette soudure peut être observée. Par exemple, si vous avez de vieilles vis en fer, qui sont vissées dans un élément également en fer (et non huilées correctement), après un certain temps, elles peuvent être très difficiles à dévisser, c'est supposément à cause de la diffusion d'atomes entre les deux parties, ce qui était facile. en raison de la même structure en treillis. Encore une fois: j'ai entendu cela comme une anecdote sur une conférence de physique, mais je n'ai pas cherché d'autres preuves.

C'est une idée intéressante. Je me demande si cela a plus d'effet que la rouille.
Je suppose que cet effet peut être facilité par le fait que si vous le vissez très fermement, l'accès à l'oxygène à l'intérieur est limité, donc l'oxydation et la rouille jouent un rôle moindre.
#8
+5
Sean
2013-11-20 07:55:18 UTC
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Pour ajouter aux idées des autres sur ce sujet, je pense que le concept de «potentiel de surface» joue également un rôle important dans ce domaine. La rugosité interfère avec le potentiel de surface du matériau car elle crée des espaces où les deux métaux ne peuvent pas se lier. Cela réduit le potentiel de surface du matériau.

Les matériaux tels que les oxydes, les huiles ou d'autres résidus qui peuvent être trouvés sur les métaux abaissent également le potentiel de surface du matériau. Ce potentiel de surface peut être réduit par les interactions de Van Der Waal, les interactions ioniques et d'autres interactions au niveau moléculaire non polaire polaire. Chaque molécule qui entre en contact avec le métal, que ce soit de l'air à la surface ou entre les interstices en raison de la rugosité ou des résidus, a le potentiel de réduire son potentiel de surface.

Ex: Pensez à la liaison dans un métal de c'est plus facile pour vous (dans un semi-conducteur) où vous êtes habitué à dessiner des liaisons Si-Si à chaque atome voisin, cependant, SUR LA SURFACE de l'atome les électrons ne peuvent liaison car il n'y a plus d'électrons disponibles. Cela fait que les surfaces de métal ou d'autres matériaux comme les semi-conducteurs sont extrêmement réactives: formant ainsi des couches d'oxyde, ou réduisant leur potentiel de surface via les interactions atome-atome, atome-molécule susmentionnées. (Il est plus facile de considérer le silicium car il a des électrons qui sont "considérés" attachés à son noyau plutôt qu'un métal de transition pur qui a des "électrons libres" que les gens ne considèrent pas comme attachés au noyau.

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#9
+2
user2617804
2013-11-20 15:03:34 UTC
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Bien qu'un simple contact entre les métaux ne soit pas suffisant pour que la plupart des métaux se lient, un mouvement relatif réalisera la fusion entre les métaux (à de petits contacts). Un phénomène courant est le grippage des dispositifs mécaniques en raison d'une lubrification insuffisante.

Je ne pense pas que les vis collent à cause de la liaison métal-métal - c'est surtout une simple distorsion, en particulier du filetage et du corps de la vis. Endommagez une vis et insérez-la dans un espace restreint et vous ne la vissez plus.

#10
+2
user3628041
2014-05-29 11:10:19 UTC
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Cela dépend de la pureté du métal. Si la surface est bien polie, il est en effet possible de faire des liaisons avec les pièces métalliques adjacentes. Cependant, s'il y a des oxydes et d'autres impuretés présents à la surface, la liaison n'est pas possible. Cela peut s'expliquer par l'énergie de surface du métal. Eh bien, vous pouvez voir que les métaux sont liés dans la métallurgie des poudres.



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