1.2. Материалы с различным типом химической связи

Тип химической связи в твердых телах определяет энергию связи, физическую природу материала (проводник, диэлектрик), физические и механические свойства, а также тип упаковки при образовании кристаллических структур. Величина энергии связи Е_св имеет наибольшее значение у материалов с ковалентной и ионной связью. Металлическая связь является в 3 - 4 раза более слабой.

Другие физические свойства зависят от величины энергии связи следующим образом: температура плавления Т_пл и модуль упругости Е пропорциональны энергии связи Е_св; коэффициент линейного расширения α обратно пропорционален Е_св.

Влияние типа связи на свойства наиболее наглядно проявляется при рассмотрении веществ одинакового химического состава. Так, двумя модификациями углерода являются алмаз и графит. Алмаз является веществом с ковалентным типом связи, это наиболее твердый кристалл в природе, диэлектрик с высокой температурой плавления.

Графит также имеет высокую температуру плавления. Но для этого вещества характерен смешанный тип связи: в его структуре, кроме атомов с ковалентным типом связи, присутствуют атомы, между которыми действуют слабые не химические молекулярные силы связи (силы Ван-дер-Ваальса). Этим и объясняются очень низкая твердость графита, склонность к расслаиванию, электрическая проводимость и более высокий коэффициент линейного расширения, чем у алмаза.

1.2.1. Металлы и сплавы (металлический тип связи)

Металлы – химические вещества неорганической природы с преимущественно металлическим типом связи, имеющие ряд специфических свойств. Ненаправленность связи и возможность перемещения электронов по орбиталям определяет их высокую тепло- и электропроводность. Делокализованность химической связи определяет возможность формирования в металлах плотно упакованных кристаллических структур, что отличает их от веществ с ковалентной и ионной типами связи. Наличие плотно упакованных структур в металлах определяет их повышенную пластичность при деформации. Более низкая энергия связи, чем у материалов с ковалентным и ионным типом связи, имеет следствием более низкие модуль упругости и температуру плавления (за исключением тугоплавких металлов), а также больший коэффициент линейного расширения.

Чистые металлы имеют низкую прочность и во многих случаях не обеспечивают того уровня механических свойств, который необходим в эксплуатации. В качестве конструкционных материалов в большинстве случаев применяют сплавы, которые получаются при добавлении в чистый металл различных химических элементов, называемых легирующими. На основе металлов создаются разнообразные сплавы с определенным комплексом свойств. Сплавы «наследуют» от металлов физические свойства, способность к пластической деформации и другие свойства.

Металлы и сплавы являются основными конструкционными материалами в машиностроении, в том числе в автомобилестроении. Процесс производства деталей из сплавов представляет собой несколько технологических этапов. После выбора химического состава сплава производится выплавка, затем разливка, в процессе которой происходит затвердевание. Деформируемые сплавы подвергаются горячей и холодной деформации с последующей механической и термической обработкой в различных сочетаниях.