2. Классификация материалов и требования к ним.
Все материалы целесообразно разделить на 2 основные группы: металлические и неметаллические.
К металлическим относятся металлы и их сплавы. В природе приблизительно 4/5 всех элементов приходится на долю черных и цветных металлов.
Железо и сплавы на его основе (сталь, чугун) принято называть черными металлами. Сюда же можно отнести тугоплавкие металлы (W, V, Mo).
К цветным металлам относятся:
а) легкие металлы (γ‹5 г/см3). Это Mg, Al, Be, Ti (1,74; 2,7; 1,82; 4,54).
б) тяжелые (γ›5 г/см3) – Cu, Ni, Pb (8,9; 8,9; 11,34).
в) легкоплавкие – Zn, Cd, Hg, Bi, Sn (419,5; 321; -38,9; 271; 232).
г) благородные металлы – Ag, Au, Pt, Pd, Os.
Неметаллические материалы могут быть органического и неорганического происхождения. К органическим относятся полимерные материалы (пластмассы, каучуки, резина), углеграфитные материалы, дерево.
Неорганические материалы подразделяются на:
а) горные породы; б) керамические материалы; в) искусственные плавленые силикатные материалы (стекло, эмали).
Материалы должны обладать необходимой механической прочностью и достаточным запасом пластичности.
Ежегодно 1/3 металлических материалов выходит из строя в результате коррозии, поэтому важным требованием является высокая коррозионная стойкость.
В ряде отраслей техники необходима высокая жаропрочность, т.е. способность материалов сохранять необходимую прочность при работе в области высоких температур.
При низких температурах металлы могут переходить в хрупкое состояние. Для предотвращения этого металл должен обладать стойкостью к хладноломкости.
Во всех случаях учитывается экономическая целесообразность использования того или иного материала. Иногда предъявляются специфические требования, например, определенная степень чистоты.
3. Металлы и их свойства. Металлическая связь.
Известно в настоящее время 80 металлов. Они занимают 4/5 всех клеточек таблицы Менделеева. Металлам характерны следующие свойства:
Высокая Q и электропроводимость.
Положительный коэффициент электрического сопротивления. С повышением температуры электрическое сопротивление возрастает. Большое число металлов (примерно 30) обладают сверхпроводимостью. При температуре, близкой к абсолютному О электрическое сопротивление этих металлов скачкообразно падает до О.
Способность испускать электроны при нагреве (термоэлектронная эмиссия).
Отражательная способность, непрозрачность и металлический блеск.
Повышенная способность к пластической деформации. При наличии этих свойств достигается так называемое металлическое состояние вещества.
Металлоиды, в отличие от металлов, как правило, хрупки, не обладают металлическим блеском, характеризуются низкой тепло- и электропроводимостью и отрицательным коэффициентом электрического сопротивления.
Все наиболее характерные свойства металлов объясняются наличием в них легкоподвижных электронов проводимости.
Как известно, атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него электронов. Различают внешние (валентные) электроны, связь которых с ядром незначительна и внутренние – более прочно связанные с ядром.
Внешние электроны способны отщепляться от атомов и находится в относительно свободном состоянии, образуя электронный газ.+заряженные ионы стягиваются отрицательно заряженным электронным газом.
Атомы в металлах располагаются близко один к другому. Это означает, что наблюдается значительное перекрытие орбиталей внешних электронов и что валентные электроны фактически связаны не с отдельным ядром, а делокализованы по всем атомам металла. Таким образом, металл представляет собой ионно-электронную систему, устойчивость которой определяется электрическим притяжением между положительно заряженными ионами и обобщенными электронами. Такое взаимодействие между ионами и электронным облаком называется металлической связью.
Сила связи в металле определяется силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами, не имеющими резко выраженного направленного характера.
Атомы или ионы располагаются на таком расстоянии друг от друга, чтобы энергия взаимодействия была минимальной.
Различают 4 типа металлической атомной связи – ионную, ковалентную, полярную и металлическую.
Ионная связь возникает у разнородных атомов, когда какой-либо из них отдает с внешней оболочки, а другой принимает 1 или несколько электронов. Образующиеся при этом положительные и отрицательные ионы с завершенными внешними оболочками благодаря электрическим силам взаимно притягиваются.
Ковалентная связь возникает обычно у одинаковых атомов и осуществляется парами валентных электронов, которые одновременно принадлежат 2-м соседним ионам, находящимся в узлах решетки. Связь имеет резкую направленность и высокую прочность. Этот тип связи характерен для соединений углерода.
Полярная связь возникает вследствие смещения электронной плотности вмолекулах к более электронно-отрицательному атому и появления слабого электрического сопротивления.
Приведенные положения позволяют объяснить характерные свойства металла.
Электрическая проводимость – наличием в металле свободных электронов, которые под влиянием разности потенциалов перемещаются от отрицательного полюса к положительному. С повышением температуры усиливаются колебательные движения ионов, что затрудняет прямолинейное движение электронов, в результате чего возрастает электрическое сопротивление.
При низких температурах колебательное движение ионов сильно уменьшается и электропроводимость возрастает. У некоторых металлов в результате упорядоченного движения пар электронов при очень низких температурах (‹200К) электрическая проводимость обращается в ∞ (сверхпроводимость).
Высокая Q-проводимость металлов обусловливается как большой подвижностью свободных электронов, так и колебательными движениями ионов, вследствие чего происходит быстрое выравнивание температуры в массе металла.
Высокая пластичность металла объясняется периодичностью их атомного строения и ненаправленностью металлической связи. В процессе пластической деформации (ковка, прокатка), т.е. при смещении объемов металла, связь между ионами не нарушается.
Кристаллы с ковалентной связью хрупки, т.к. при деформации связь нарушается.