Горлов О. К. Фізико-хімічні основи технологічних процесів. Зварювання: навч посібник / О. К. Горлов, Є. П. Рогачов, С. М. Лашко


НазваГорлов О. К. Фізико-хімічні основи технологічних процесів. Зварювання: навч посібник / О. К. Горлов, Є. П. Рогачов, С. М. Лашко
Сторінка4/16
Дата16.07.2013
Розмір1.18 Mb.
ТипДокументи
bibl.com.ua > Фізика > Документи
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   16

Сили зв'язку в твердих тілах


Розгляд природи зв'язку між атомами має першорядне значення як для розуміння умов утворення різних з'єднань, в тому числі зварних, так і для розроблення нових процесів і нових видів зварних з'єднань.

Іонний зв'язок. Усі іонні кристали являють собою хімічні сполуки. Іонний зв'язок (рис. 1,а ) утворюється між атомами двох видів: одні з них легко втрачають електрони, створюючи позитивно заряджені

іони – катіони, інші – легко приєднують електрони, утворюючи негативно заряджені іони – аніони. Іонний зв'язок виникає між по-різному зарядженими атомами.



Рисунок 1 – Типи зв’язків між атомами:

а – іонні; б – ковалентні; в – молекулярні; г – металеві
Між утвореними іонами виникають кулонівські сили притягання, які на близьких відстанях урівнюються силами відштовхування між електронними оболонками сусідніх атомів. Ці сили визначають стійкість іонного кристала.

Для іонних кристалів є характерними високі температури плавлення, міцність, твердість, крихкість, теплота сублімації, діамагнетичні властивості.

Ковалентний зв'язок. Цей зв'язок виникає між атомами з однаковою або майже однаковою валентністю внаслідок присвоєння парою атомів (рідше більшою кількістю) валентних електронів із протилежно спрямованими спінами (рис. 1,б).

Таке об'єднання створює для електронів загальну орбіту з двома ядрами всередині й може бути безперервним унаслідок того, що різні електрони зовнішньої оболонки спарюються з відповідними електронами різних атомів. У результаті утворюється тверда частка розміром, що залежить від кількості певної речовини.

Для кристалів із ковалентними зв'язками є характерними: високі температура плавлення, теплота сублімації, твердість, пружність, крихкість. За електричними властивостями ковалентні кристали належать до напівпровідників і діелектриків, але в деяких металах також є значна частка ковалентних зв'язків.

Стосовно до зварювання й пайки ковалентні зв'язки встановлюються при з'єднанні металів з неметалами.

Молекулярний зв'язок (Ван-дер-Ваальса). Це слабкий електростатичний зв'язок, обумовлений силами притягання між миттєвими електричними диполями, які виникають унаслідок руху електронів в атомах і молекулах. При зближенні атомів електрони кожного з них зміщуються відносно ядра. Внаслідок координації руху електронів в електронних оболонках та індуктивного перерозподілу зарядів відбувається взаємна поляризація атомів і з'являються сили Ван-дер-Ваальса (рис. 1,в).

Сили Ван-дер-Ваальса діють у різних кристалах незалежно від природи атомів, але вони досить слабкі. За наявності значно сильнішої міжатомної взаємодії (іонного, ковалентного або металічного зв'язків) ці сили практично не мають ніякого значення.

Для молекулярних кристалів є характерними низькі температура плавлення й теплота сублімації та високий коефіцієнт термічного розширення.

Нехарактерними для металів є найбільш слабкі міжмолекулярні (Ван-дер-Ваальсові) сили, що використовують при зварюванні пластмас.

Металевий зв'язок. Цей зв'язок обумовлено валентними елек­тронами. Вони слабко пов'язані з атомом, рівномірно розподіляються та легко рухаються в просторі між атомами, які з'єднуються в кристал.

Слабкий зв'язок зовнішнього електрона приводить до того, що в атомному агрегаті ці електрони відриваються й безладно блукають між позитивними (тими, які залишилися) іонами, що утворилися (рис.1,г).

Електрони присвоюються не декількома атомами кристала, як у випадку ковалентного зв'язку, а всіма атомами, тобто утворюють електронний "газ", що заповнює весь кристал (рис.1, г). Позитивні іони металу, які виникли внаслідок втрати валентних електронів, утворюють кристалічну ґратку.

На рис. 2 показано характер енергетичної взаємодії двох позитивно заряджених часток рухливих електронів, що знаходяться у полі цієї взаємодії залежно від відстані між цими частками. Сили притягання (зокрема, гравітаційні) при зближенні часток зростають повільніше, ніж сили відштовхування (зокрема, для двох однаково заряджених часток), і при деякій відстані r0 між частками вони врівноважуються. Потенційна енергія має мінімум Umin при деякій відстані r0.

Якщо розглянути не окремо взяті дві частки, а значну їхню кількість з певною системою геометричного взаєморозташування, то від


Рисунок 2 – Схема взаємодії двох позитивно заряджених частинок, які знаходяться в полі рухливих електронів
стань, що є подібною
r0, буде визначати параметр кристалічної ґратки речовини (металу) при певній температурі. Звичайно для більшості металів параметр кристалічної ґратки становить (3...5)10-10м.

Відстань r0 параметр ґратки – не залишається сталим. Це тільки деяка середня відстань між частками, які коливаються біля свого середнього положення. Звичайно амплітуда коливань при нормальних температурах становить 5…10 % середньої міжатомної відстані й має значні флуктуації. З підвищенням температури ці теплові коливання збільшуються так само, як збільшується параметр ґрат, що в цілому ослаблює взаємозв'язки.

Взаємодія між іонами та валентними електронами визначає стійкість усієї системи.

Утворення металічного зв'язку в кристалах обумовлено двома принципово важливими явищами:

  1. Кожний атом набуває структури попереднього інертного газу й виникають відповідні зменшенню енергії сили притягання.

  2. Колишні валентні електрони атомів стають узагальненими, тобто утворюється електронний газ, що належить усьому кристалу.

Електронний газ компенсує сили відштовхування між іонами і об’єднує їх у тверде тіло.

Для металів є характерними три основних типи кристалічних ґраток:

1. ОЦК – об'ємно-центрована кубічна ґратка (рис. 3, а). Таку ґратку мають: Li , Na , K , Ba , Cr , Mo , W , V , Fe при температурі більше 13920С и менше 9110С;

2. ГЦК – гранецентрована кубічна ґратка (рис. 3, б). Таку ґратку мають: Ag , Au , Pt , Cu , Al , Fe при температурі 911…1392 0С;

3. ГЩУ – гексагональна щільно упакована ґратка (рис. 3, в). Таку ґратку мають: Mg , Ti , Zn , Y , Be , La.

Для кристалічних ґраток різних металів є характерною різна відстань між базовими атомами, тобто атомами, що утворюють геометричну фігуру. Наприклад, у кубічних ґраток це – розмір ребра куба – відстань між центрами атомів, що розташовані у його вершинах. Цю відстань називають параметром ґратки, у кубічних ґраток – один параметр а, у гексагональної – два: а й с (див. рис. 3).


Рисунок 3 – Кристалічні ґратки металів:

а – ОЦК; б – ГЦК; в – ГЩУ
Фізичні явища, що відбуваються у металах, можна класифікувати таким чином: метал складається з двох підсистем – легкої та важкої. Легка підсистема – це колишні валентні електрони атомів металу, що є дуже рухливими й миттєво реагують на будь-яке електромагнітне поле. Важка підсистема – це атоми, які в процесі кристалізації втратили свої валентні електрони. У кристалічних металах вони знаходяться у вузлах кристалічної ґратки. В аморфних металах вони не утворюють у просторі правильні геометричні структури, але деякі ознаки впорядкованості в їхньому розташуванні існують. В обох випадках атоми знаходяться у постійному русі. Оскільки валентні електрони стають спільними для всієї важкої системи, то металічний зв'язок не є спрямованим, чим обумовлено пластич­ність і здатність металу до деформування.

У металах існує три види явищ, що пов'язані з їхньою будовою [10]: явища, в яких легка підсистема (електронний газ) виявляє свої вла­стивості автономно (електропровідність при низьких температурах, парамагнетизм вільних електронів тощо); явища, в яких важка підсис­тема (атоми) виявляє свої властивості значною мірою незалежно від електронного газу (пластичні властивості, ґраткові теплоємність і теплопровідність, теплове розширення тощо); явища, сутність яких полягає в сильній безпосередній взаємодії легкої й важкої підсистем (електропровідність, надпровідність, електрофізичні властивості у високочастотних полях).

Наведена вище класифікація фізичних явищ у металах є умовною, оскільки не можна відокремити одну підсистему від іншої. Наприклад, високу пластичність металів обумовлено самою природою металевого стану, а саме – неспрямованістю металічних зв'язків. Однак така класи­фікація дозволяє виділити основні риси й характерні особливості явищ. Відповідно виділяють електронні властивості металів (термо­електронну емісію, надпровідність, електричний опір тощо), які пояснюються самою електронною системою і її взаємодією з ґраткою.

Валентна зона металів містить незайняті рівні безпосередньо над рівнем Фермі. При передачі незначної енергії електрони можуть переходити на незайняті рівні, тобто збуджуватися. Низька енергія збу­дження електронів характеризує тепло- і електропровідність металів.

Присвоювання валентних електронів у металах приводить до того, що в твердому стані металу вони займають більш низькі енергетичні рівні, ніж в ізольованому атомі, і забезпечують енергію зв’язку у твердому тілі аналогічно з утворенням хімічного зв’язку.

Таблиця 1 – Тип і параметр ґратки металів

Метал

Fe

Fe

Ni

Al

Mg

Cu

Cr

W

Ag

Ti

Тип

ґратки

ОЦК

ГЦК

ГЦК

ГЦК

ГЩУ

ГЦК

ОЦК

ОЦК

ГЦК

ОЦК

Параметр ґратки,нм

2,9

3,6

3,5

4

a=3,5 c=5,2

3,6

2,9

3,1

4,1

3,3

Атомний радіус, нм

1,24

1,24

1,25

1,43

1,6

1,28

1,25

1,36

1,44

1,44


При зварюванні однорідних металів, які мають ідентичні кристалічні ґратки, здатність до з'єднання визначається в основному розглянутими закономірностями електронної будови атомів цього металу. При зварюванні різнорідних металів важливого значення набуває їхня атомно-кристалічна будова. Чим меншою є різниця в атомно-кристалічній будові металів, тим легше вони з'єднуються при зварюванні. Схожість атомно-кристалічної будови металів, що з'єднують, означає подібність енергетичного стану їхніх атомів. Це свідчить про те, що атоми одного зварюваного металу здатні енергетично сприятливо розташовуватися в кристалічних ґратках іншого металу. Ознакою цього є рівність величин атомних радіусів, а також подібність типів і параметрів кристалічних ґраток.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   16

Схожі:

Проектування технологічних процесів обробки деталей механічних засобів
МОДУЛЬ ЗАГАЛЬНІ ПРИНЦИПИ ПРОЕКТУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ У МАШИНОБУДУВАННІ
Колесніченко Л. А., Борисенко Л. Л. К 60 Основи психології та педагогіки:...
К 60 Основи психології та педагогіки: Навч метод посібник для самост вивч дисц. — К.: КНЕУ, 2002. — 157 с
Конспект лекцій з курсу “ Системно-структурне моделювання технологічних...
Конспект лекцій з курсу “Системно-структурне моделювання технологічних процесів” / Укладач П. В. Кушніров. – Суми: Вид-во СумДУ,...
МОДУЛЬ ВСТУП. ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІВОДИ. ГІДРОЛОГІЯ РІЧОК Блок...
Гідрологія – наука про природні води, їх властивості та явища і процеси, що в них відбуваються, а також закономірності розвитку цих...
ПРАВОВІ ОСНОВИ ДОКУМЕНТОЗНАВЧОЇ ДІЯЛЬНОСТІ
Правові основи документознавчої діяльності /Д. О. Готило, С. Ф. Гуцу, В. М. Петрук – Навч посібник для студентів гуманітарного факультету...
Сутність процесу електроконтактного точкового зварювання
Мета роботи: вивчити технологічний процес електроконтактного точкового зварювання; визначити його відмінності; ознайомитися з будовою...
1 Держава, право та Конституція України
Основи конституційного права і чинного законодавства України / Г. Ю. Каніщев, В. Б. Селевко, С. С. Бичкова. – Навч посібник. – Харків:...
Максимова Н. Ю., Мілютіна К. Л., Піскун В. М. Основи дитячої патопсихології: Навч посібник
Важковиховуваність як психолого–педагогічна проблема. Типологія соціально-дезадаптованої поведінки. Асоціальна поведінка як відхилення...
Пасинков В. В., Сорокин В. С. Материалы електронной техники
...
ЗВІТ про виконання лабораторної роботи РУЧНЕ ЕЛЕКТРОДУГОВЕ ЗВАРЮВАННЯ...
Умовне позначення електродів для ручного дугового зварювання і наплавлення сталі ГОСТ 9466-75
Додайте кнопку на своєму сайті:
Портал навчання


При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання © 2013
звернутися до адміністрації
bibl.com.ua
Головна сторінка