ответы на материаловедение 2 семестр. матвед экзамен. 1. Типы межатомных связей и их влияние на свойства материалов

• Название: 1. Типы межатомных связей и их влияние на свойства материалов
• Анкор: ответы на материаловедение 2 семестр
• Дата: 13.09.2019
• Размер: 4.93 Mb.
• Имя файла: матвед экзамен.docx
• Тип: Документы; #86730
• страница: 1 из 15

1.Типы межатомных связей и их влияние на свойства материалов.

Между атомами в твердых телах действуют силы притяжения и отталкивания. Первые удерживают атомы вместе, при этом образуется целостный материал, вторые не дают атомам слиться. Твердые вещества существуют при равновесии сил притяжения и отталкивания.

Природа сил отталкивания одинакова во всех твердых веществах. Силы отталкивания возникают, когда атомы достаточно сближаются, так, что орбиты их внешних электронов перекрываются. При этом положительные заряды ядер атомов уже не полностью экранируются, вследствие чего между ними возникают силы отталкивания.

В отличие от сил отталкивания, имеющих одинаковую природу, природа сил притяжения различна и именно она определяет свойства материала. Различают четыре вида связи: ионную, ковалентную, металлическую и связь Ван–дер–Ваальса.

Ионная связь. Ионная связь присуща соединениям, образованным разнородными атомами. Внешние электроны атомов одного элемента переходят на внешние орбиты атомов другого элемента, образуя устойчивые электронные конфигурации.

В качестве типичного примера вещества с ионным типом связи можно привести поваренную соль – . Натрий принадлежит к первой группе периодической системы, на его внешней орбите находится один электрон. Хлор – элемент седьмой группы, на его внешней орбите расположено семь электронов. Переход одного атома натрия на орбиту хлора приводит к образованию двух ионов, с устойчивой конфигурацией, обладающих разными зарядами. Межатомные силы притяжения – электростатические, ионная связь является сильной.

Твердое вещество с ионным типом связи образуется только в том случае, когда каждый положительный ион имеет своими ближайшими соседями только отрицательные ионы и наоборот. Таким образом, атомы в веществе располагаются строго упорядоченно.

Ионный тип связи характерен для химических соединений. Наиболее известным и широко распространенным материалом с ионным типом связи является стекло, основой которого являются окислы различных элементов.

Ковалентная связь. Ковалентная связь устанавливается в результате образования устойчивых соединений путем обобществления электронов определенными атомами. Примером такой связи может служить молекула газа, образованная двумя атомами, имеющими каждый по семь электронов на внешней орбите (например, хлор). Устойчивая конфигурация молекулы образуется в результате обобществления по одному электрону каждого из двух атомов. Образование устойчивых структур определяется правилом , где N – число электронов на внешней орбите.(N<=4).Так, при образовании молекулы кислорода обобществляется два электрона, т.к. на его внешней орбите находится шесть электронов.

Ковалентная связь характерна для многих кристаллических твердых тел. Примером может служить алмаз – кристаллическая модификация углерода с ковалентной связью. Углерод имеет четыре валентных электрона. Образование алмаза осуществляется при обобществлении по одному электрону четырьмя атомами.

Механическая прочность ковалентной связи обычно достаточно велика вследствие ее направленного характера.

Ковалентные связи характерны для пластмасс.

Металлическая связь. Атомы металлов имеют небольшое количество (один или два) внешних (валентных) электронов, которые слабо связаны с ядром. При сближении атомов электроны, находящиеся на внешних оболочках, теряют связь со своими атомами, они коллективизируются, т.е. становятся достоянием всех атомов данного металла, образуя «электронный газ». Положительно заряженные ионы располагаются на таком расстоянии друг от друга, что силы притяжения между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными ионами уравновешиваются силами отталкивания между ионами.

Наличие электронного газа определяет свойства металла: высокие тепло– и электропроводность. Отсутствие сильных направленных связей между атомами определяет одно из важнейших свойств металлов – их пластичность, т.е. способность изменять форму без разрушения. Поэтому при изготовлении металлопродукции широко применяют методы пластического деформирования – ковка, прокат, волочение.

Силы Ван–дер–Ваальса. Происхождение этих сил связано с тем, что атомы являются малыми диполями. Среднее во времени пространственное распределение электронов в атоме симметрично относительно ядер, но в каждый конкретный момент центр отрицательных зарядов может не совпадать с ядром, имеющим положительный заряд, что и образует диполь. Взаимодействие диполей приводит к появлению сил притяжения. Это взаимодействие несколько усиливается вследствие того, что наличие диполя, образованного одним атомом, способствует появлению диполя у соседнего атома.

Силы Ван–дер–Ваальса существуют между всеми атомами. Они слабы и оказываются важными только при отсутствии более сильных связей других типов, рассмотренных выше. Эти силы являются основными при взаимодействии больших органических молекул, являющихся основой полимеров.

2.Атомно-кристаллическое строение металлов.

Металлы являются кристаллическими веществами. В отличие от аморфных веществ, атомы в которых расположены хаотично, кристаллические тела характеризуются закономерным расположением атомов в пространстве, т.е. металлы имеют кристаллическую решетку. Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой расположены атомы (ионы). Минимальный объем, многократное повторение которого в пространстве образует кристаллическую решетку, называется элементарной кристаллической ячейкой. На рис.2.1 представлена кристаллическая решетка, жирными линиями обведена элементарная кристаллическая ячейка. Кристаллические решетки получают название в зависимости от типа элементарной кристаллической ячейки. Кристаллические решетки бывают простыми и сложными. В простых кристаллических решетках на элементарную ячейку приходится один атом. В сложных кристаллических решетках на элементарную ячейку приходится несколько атомов.

Наиболее распространенными среди металлов являются кубическая объемноцентрированная (О.Ц.К.), кубическая гранецентрированная (Г.Ц.К.) и гексагональная плотноупакованная (Г.П.У.) кристаллические решетки.

В кубической объемноцентрированной кристаллической решетке атомы расположены в вершинах куба и один – в центре куба (рис.2.2,а). В такой кристаллической решетке на элементарную ячейку приходится 2 атома¹. Кубическую объемноцентрированную кристаллическую решетку имеют и др.

В кубической гранецентрированной кристаллической решетке атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани (рис.2.2,б). На элементарную ячейку такой решетки приходится 4 атома². Этот тип кристаллической решетки характерен для и др.

В гексагональной плотноупакованной кристаллической решетке (ГПУ – решетке) атомы расположены в вершинах и в центрах шестигранных оснований призмы, а также три атома находятся в средней плоскости призмы (рис.2.2,в). На элементарную ячейку такой кристаллической решетки приходится шесть атомов³. Такую кристаллическую решетку имеют и др.

Некоторые металлы () имеют тетрагональную кристаллическую решетку (рис.2.3). Эта кристаллическая решетка характеризуется тем, что ребро с параллелепипеда не равно ребру основания а. Отношение этих параметров (с/а) характеризует степень тетрагональности кристаллической решетки. В зависимости от расположения атомов, тетрагональная решетка может быть простой (атомы расположены в вершинах призмы), объемноцентрированной (атомы расположены в вершинах и в центре призмы) и гранецентрированной (атомы расположены в вершинах и в центрах граней призмы).

Размеры кристаллических решеток характеризуются периодом решетки – расстоянием между ближайшими параллельными атомными плоскостями, образующими элементарную кристаллическую ячейку. Период решетки металлов составляет (17)А (1 ангстрем=10–¹⁰м).

Точечное расположение атомов в узлах кристаллической решетки является условным. В действительности атомы имеют определенные размеры и могут соприкасаться друг с другом. Размер атома характеризуется атомным радиусом – половиной расстояния между двумя соседними атомами.
3.Характреные свойства металлических материалов.

Физические свойства металлов.

Плотность — количество вещества, содержащееся в единице объема. Температура плавления — температура, при которой нагреваемый металл или сплав переходит из твердого в жидкое состояние.

Удельная теплоемкость — количество теплоты, которое необходимо для повышения температуры единицы массы металла на 1° С.

Теплопроводность — свойство металла проводить теплоту, определяемое коэффициентом теплопроводности.

Тепловое расширение - способность металла увеличивать линейные размеры и объем при нагревании, характеризуемая коэффициентами линейного и объемного расширения.

Электропроводность — способность металла проводить электрический ток. Удельное электросопротивление — сопротивление металлического проводника, имеющего единицу длины и единицу площади поперечного сечения, прохождению электрического тока.

Механические свойства металлов — свойства, определяющие способность металла сопротивляться деформированию и разрушению.

Для определения механических характеристик металла образец может быть подвергнут растяжению, сжатию, сдвигу, кручению, изгибу или их совместному воздействию.

Нагрузка на металл, возрастающая медленно, называется статической. Нагрузка, прикладываемая к металлу с большой скоростью, называется динамической.

Вид назначаемого механического испытания определяется условиями работы детали, в зависимости от которых испытания металла проводятся при пониженной, комнатной или высокой температуре. Основными характеристиками механических свойств металла являются прочность, упругость, пластичность, вязкость, твердость.

Пластичность — способность металла деформироваться без разрушения. При растяжении пластические свойства металла характеризуются относительными удлинением и сужением образца, которые взаимосвязаны, так как удлинение образца сопровождается уменьшением площади его поперечного сечения. Относительное удлинение σ — отношение приращения длины образца после разрыва к его начальной длине, выраженное в процентах. Относительное сужение ψ - отношение уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади поперечного сечения, выраженное в процентах.

Для оценки вязкости металла и установления его склонности к переходу в хрупкое состояние выполняют ударные испытания надрезанных образцов на маятниковом копре. При этом характеристикой вязкости является ударная вязкость KC=A / F₀, где А - работа, затраченная на разрушение образца; F₀ - площадь поперечного сечения образца в месте надреза.

Твердость — сопротивление металла вдавливанию в него других, более твердых тел.

Твердость по Бринеллю НВ - отношение усилия вдавливания в металл стального закаленного шарика диаметром 2,5; 5 или 10 мм к площади поверхности образовавшейся лунки.

Твердость по Роквеллу HRC определяется вдавливанием алмазного конуса с углом при вершине 120° в испытуемый металл.

Технологические свойства металлов и сплавов характеризуют способность металлов и сплавов поддаваться различным способам горячей и холодной обработки (заполнять литейную форму, прокатываться, коваться, штамповаться, свариваться, обрабатываться резанием и т. д.).

Для определения пригодности для ковки и горячей объемной штамповки металлы испытывают на ковкость, которая оценивается сопротивлением деформированию и пластичностью. Одни металлы обладают хорошей ковкостью в нагретом состоянии, например стали, другие (латунь в однофазном состоянии, алюминиевые сплавы) — в холодном. Для определения технологической пластичности стали используют различные методы, в том числе и метод осадки.

Часто технологические пробы проводят с учетом способа обработки давлением. Например, для горячей и холодной высадки выполняют испытания металла на высадку, для гибки — пробы на изгиб (перегиб), для листовой штамповки — испытания на штампуемость по глубине выдавливания лунки до разрушения и т. д.

При разработке технологического процесса учитывают совокупность физических, механических и технологических свойств металла.

4.Анизотропия кристаллов и изотропия кристаллических тел.

Анизотропия-

В кристаллических решетках атомная плотность по различным плоскостям неодинакова – на единицу площади разных атомных плоскостей приходится неодинаковое количество атомов. Например в объемноцентрированной кристаллической решетке плотность атомов в заштрихованном квадрате площадью .(рис.2.4,а) равна 1, т.к. каждый из четырех атомов в этой плоскости принадлежит четырем элементарным ячейкам. В заштрихованном прямоугольнике той же кристаллической решетки на площадь (рис.2.4,б) приходится 2 атома. Вследствие этого свойства кристалла в различных плоскостях и направлениях кристаллической решетки будут неодинаковыми. Неодинаковость свойств по разным кристаллографическим направлениям называется анизотропией кристалла.

Технические металлы являются поликристаллическими веществами. Они состоят из большого количества мелких кристаллов, различно ориентированных по отношению друг к другу. Эти кристаллы вследствие условий кристаллизации имеют неправильную форму и называются зернами или кристаллитами. Произвольность ориентации каждого зерна приводит к тому, что в разных направлениях свойства усредняются и становятся примерно одинаковыми, т.е. поликристаллическое тело изотропно. Такое явление называется квазиизотропией (ложной изотропией). Она не наблюдается в том случае, если кристаллы имеют одинаковую ориентировку (текстуру) в каких–то направлениях. Такая ориентированность создается в результате пластической деформации (см. ниже). В этом случае поликристаллический металл приобретает анизотропию свойств.


5.Идеальное и реальное строение материалов.

Под идеальным строением кристаллов подразумевается такое, при котором все атомы находятся строго в узлах кристаллической решетки. Теоретическая прочность такого кристалла чрезвычайно высока. Для осуществления пластического сдвига в таком кристалле (рис.2.5) требуется приложить усилие, которое можно подсчитать по формуле:, где G – модуль сдвига (Юнга). Этот расчет был сделан Я.И. Френкелем в 20–х годах прошлого века. В соответствии с этой формулой теоретический предел прочности железа должен составлять примерно 13000МПа (для железа G=80000МПа). В действительности же, для реального металла эта величина примерно в 100 раз меньше. Такое несоответствие объясняется наличием в реальном металле дефектов кристаллического строения.

Дефекты кристаллического строения подразделяются по геометрическим признакам на точечные, линейные и поверхностные.