material / материаловеденье-1 / 4_20_34_47_61_moi_otvety

4. Типы связей: ионная, ковалентная, Ван-дер-Ваальса, металлическая. Их особенности и влияние на свойства кристаллов:

Ионная связь – химическая связь, обусловленная переносом валентных электронов с одного атома на другой с образованием положительных и отрицательных ионов и эл.-статич. взаимодействием между ними. Характерна для соединений металлов с типичными неметаллами, напр, для молекулы ионного кристалла NaCl.

Характерной особенностью ионной связи является ее ненасыщаемость(т.е. каждый катион может притягивать любое количество анионов и наоборот) и

ненапрвленность. Ионная связь является прочной (энергия ионной связи, как правило, больше энергии ковалентной), а потому ионные соединения, как правило, тугоплавки и высококипящи.

В ионном кристалле невозможно выделить одиночные молекулы. Каждый катион притягивается к каждому аниону и отталкивается от других катионов. Весь кристалл можно считать огромной молекулой. Размеры такой молекулы не ограничены, поскольку она может расти, присоединяя новые катионы и анионы.

Обычно ионные кристаллы твердые, но хрупкие. Их хрупкость обусловлена тем, что даже при небольшой деформации кристалла катионы и анионы смещаются таким образом, что силы отталкивания между одноименными ионами начинают преобладать над силами притяжения между катионами и анионами, и кристалл разрушается.

Ионные кристаллы отличаются высокими температурами плавления. В расплавленном состоянии вещества, образующие ионные кристаллы, электропроводны. При растворении в воде эти вещества диссоциируют на катионы и анионы, и образующиеся растворы проводят электрический ток.

Ковалентная связь – связь между атомами, которая осуществляется общей для них электронной парой (по одному электрону от каждого атома).

К. с. существует как в молекулах (в любых агрегатных состояниях), так и между атомами, образующими решетку кристалла. К. с. может связывать одинаковые атомы (в молекулах H₂, Cl₂, в кристаллах алмаза) или разные (в молекулах воды, в кристаллах карборунда SiC). Почти все виды основных связей в молекулах органических соединений являются ковалентными (С — С, С — Н, С — N и др.)

Характерные свойства ковалентной связи — направленность, насыщаемость, полярность, поляризуемость.

Направленность связи обусловлена молекулярным строением вещества и геометрической формы их молекулы.

Насыщаемость — способность атомов образовывать ограниченное число ковалентных связей.

Полярность связи обусловлена неравномерным распределением электронной плотности вследствие различий в электроотрицательностях атомов.

Поляризуемость связи выражается в смещении электронов связи под влиянием внешнего электрического поля, в том числе и другой реагирующей частицы.

Так же как и ионные, атомные кристаллы можно считать гигантскими молекулами. Они очень прочные и твердые, плохо проводят теплоту и электричество. Вещества, имеющие атомные кристаллические решетки, плавятся при высоких температурах. Они практически нерастворимы в каких-либо растворителях. Для них характерна низкая реакционная способность.

Молекулярные кристаллы построены из отдельных молекул, внутри которых атомы соединены ковалентными связями. Между молекулами действуют более слабые межмолекулярные силы. Они легко разрушаются, поэтому молекулярные кристаллы имеют низкие температуры плавления, малую твердость, высокую летучесть. Вещества, образующие молекулярные кристаллические решетки, не обладают электрической проводимостью, их растворы и расплавы также не проводят электрический ток.

Ван-дер-ваальсовы силы — силы межмолекулярного (и межатомного) взаимодействия с энергией 10 — 20 кДж/моль.

Ван-дер-ваальсовое взаимодействие состоит из:

• Дисперсионного

• Ориентационного

• Магнитно-динамического

Все эти силы – слабые, но дальнодействующие, а потому проявляются в основном в газах и жидкостях при низкой температуре.

Связь легко разрушается тепловым движением. Поэтому молекулярные кристаллы обладают низкими температурами плавления (например, парафин , большими коэффициентами теплового расширения, большой сжимаемостью, малой твердостью.

Металлическая связь — химическая связь, которая обусловлена взаимодействием положительных ионов металлов, составляющих кристаллическую решётку, с электронами.

Для металлов характерна металлическая кристаллическая решетка. В ней имеется металлическая связь между атомами. В металлических кристаллах ядра атомов расположены таким образом, чтобы их упаковка была как можно более плотной. Связь в таких кристаллах является делокализованной и распространяется на весь кристалл. Металлические кристаллы обладают высокой электрической проводимостью и теплопроводностью, металлическим блеском и непрозрачностью, легкой деформируемостью.

20.Разрушение: хрупкое и вязкое. Условие распространения трещины по Грифитсу.

Под разрушением понимают процесс зарождения и развития в металле трещин, приводящих к разделению его на части.

Разрушение происходит в результате или развития нескольких трещин, или слияния рядом расположенных трещин в одну магистральную трещину, по которой идет полное разрушение. Разрушение может быть хрупким и вязким. Механизм зарождения трещин одинаков как при хрупком, так при вязком разрушении. Возникновение микротрещин чаще происходит благодаря скоплению движущихся дислокаций (пластической деформации) перед препятствием (границами зерен, межфазными границами, перед возможными включениями) образуя зародыш трещины.

Трещина образуется в плоскости, перпендикулярной к плоскости скольжения, когда плотность дислокаций достигает  –  1/см², а касательные напряжения у вершины их скопления ~0,7G.

Хрупкое разрушение – отрыв одних слоев атомов от других под действием нормальных растягивающих напряжений. Отрыв не сопровождается предварительной деформацией. Благодаря скоплению движущихся дислокаций перед препятствием (границы субзерен, фазовые границы), что приводит к концентрации напряжений, образуется трещина. Когда напряжения достигают определенного значения, размер трещины становится критическим и дальнейший рост осуществляется произвольно.

Для хрупкого разрушения характерна острая, часто ветвящаяся трещина. Величина зоны пластической деформации в устье трещины мала. Скорость распространения хрупкой трещины велика — близка к скорости звука (внезапное, катастрофическое разрушение). Энергоемкость хрупкого разрушения мала, а работа распространения трещины близка к нулю.

Различают транскристаллитное разрушение – трещина распространяется по телу зерна, интеркристаллитное – по границам зерен (всегда хрупкое).

Результатом хрупкого разрушения является блестящий светлый кристаллический излом с ручьистым строением. Хрупкая трещина распространяется по нескольким параллельным плоскостям. Плоскость излома перпендикулярна нормальным напряжениям.

Вязкое разрушение – путем среза под действием касательных напряжений. Ему всегда предшествует значительная пластическая деформация.

Трещина тупая раскрывающаяся. Величина пластической зоны впереди трещины велика. Малая скорость распространения трещины. Энергоемкость значительная, энергия расходуется на образование поверхностей раздела и на пластическую деформацию. Большая работа затрачивается на распространение трещины. Поверхность излома негладкая, рассеивает световые лучи, матовая (волокнистый) излом. Плоскость излома располагается под углом.

( Вязкое и хрупкое разрушение различаются между собой по величине пластической зоны у вершины трещины. При хрупком разрушении величина пластической зоны в устье трещины мала. При вязком разрушении величина пластической зоны, идущей впереди распространяющейся трещины, велика, а сама трещина затупляется у своей вершины. Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения трещины. Скорость распространение хрупкой трещины достигает 2500 м/с. Поэтому нередко хрупкое разрушение называют «внезапным», или «катастрофическим» разрушением.)

Критерий Гриффитса

Условие хрупкого разрушения для самопроизвольного распространения одиночной трещины в линейно-упругом теле: «Разрушение произойдет тогда, когда при бесконечно малом удлинении трещины будет выделяться больше упругой энергии, чем это требуется для удельной энергии образования новых поверхностей». По принципу Гриффитса существующая в теле трещина станет лавинообразно распространяться, если высвобождение энергии упругой деформации на единицу длины трещины превзойдет работу на разрыв связей, то есть при выполнении условия: или , где  — энергия деформации,  — работа на разрыв связей,  — длина трещины,  — энергия упругой деформации.

34.Понятия сплав, механическая смесь, компонент.

Сплав — смесь, состоящая из нескольких компонентов, по крайней мере, один из которых — металл.

Сплавы состоят из основы (одного или нескольких металлов), малых добавок специально вводимых в сплав легирующих и модифицирующих элементов, а также из не удаленных примесей (природных, технологических и случайных).

МЕХАНИЧЕСКАЯ СМЕСЬ (в металловедении) - строение сплава из двух компонентов, которые неспособны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединений. Атомы каждого элемента образуют отдельные кристаллические решетки.

Компонент – простейшее вещество, которое определяет состав сплава, и концентрация которого является независимой от остальных параметров.

47. Д.с. железо-углерод стабильная. Кристаллизация и структурообразование серых чугунов. Область применения.