Типы связей в твёрдых телах (ионная, ковалентная, металлическая)

Типы связей в твёрдых телах (ионная, ковалентная, металлическая)

Ионная связь – присуща химическим соединениям, образованным элементами с резко различающейся валентностью. Так металлы, имея 1 или 2 электрона на внешней орбите, которые не прочно связаны с ядром, вступая в реакцию с неметаллами, металлы отдают электроны и превращаются в ионы. Неметаллы принимают эти электроны, превращаясь в отрицательные ионы => ионная связь обеспечивает электро – статическое притяжение.

Ковалентная связь – устанавливается в результате образования устойчивых соединений, путем обобществления электронов группой атомов. Обобществление электронов зависит от валентности элемента и определяется по следующей зависимости: C = 9 – M, где C – число атомов обобществляющих электрон, 9 – устойчивая электронная конфигурация, M – валентность элемента. Ковалентная связь возникает между атомами соседей, которые обобществляют один из электронов соседа. Ковалентная связь характерна для кристаллических тел.

 

Металлическая связь – гибкая, нежесткая. Свойства металлов: высокая прочность, пластичность, электропроводность, теплопроводность.
Металлическая связь характерна всем металлам и их сплавам => металлы широко применяются в производстве.

 

Атомно-кристаллическое строение металла

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов, существующее в кристалле. Атомы в кристалле расположены в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях. Для описания атомно-кристаллической структуры пользуются понятием пространственной или кристаллической решетки. Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узле которой располагаются атомы (ионы), образующие металл. Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки (решетки).

Для характеристики элементарной ячейки задают шесть величин: три ребра ячейки a, b, c и три угла между ними б, в, г. Эти величины называют параметрами кристаллической решетки.

Кристаллические решетки бывают простыми (атомы только в вершинах решетки) и сложными.

Металлы образуют одну из следующих высокосимметричных сложных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемноцентрированную (ОЦК), кубическую гранецентрированную (ГЦК) и гексагональную (ГПУ)

Кристаллографическое обозначение атомных плоскостей и направлений

Под кристаллографическими плоскостями понимается 3 целых взаимно простых числа обратно пропорциональных числу осевых единиц, отсекаемых данной плоскостью по координатным осям x,y,z. ABCD (100), AFKB (001), BKLD (010)
По различным направлениям в кристалле располагаются различные количества атомов: физические, химические, механические при прочих равных условиях и определяются числом атомов, расположенным в данном направлении; чем больше количество атомов расположено в данном направлении, тем выше уровень свойств.

 

Анизотропия металлов

Анизотропи́я — неодинаковость свойств среды по различным направлениям внутри этой среды.

В кристаллических материалах плотность атомов в различных кристаллографических направлениях различно, в следствии чего наблюдается различие свойств в разных направлениях плоскостей металла.

 

Строение реальных кристаллов

Многие свойства реального кристаллического вещества зависят от степени совершенства строения его кристаллической решетки. Известно, что реакционная способность реальных кристаллов тем выше, чем больше энергия их решетки отличается от энергии решетки идеального кристалла. В связи с этим целесообразно остановиться на причинах, характере и наиболее важных следствиях этого отличия.

 

Идеальный кристалл состоит из правильно расположенных во всех направлениях атомов, ионов или молекул. В каждом таком кристалле существует определенная, характерная для него структурная единица или элементарная ячейка, точное повторение которой в трех измерениях образует его решетку.

 

Кристаллизация металлов

Переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической решетки называется кристаллизацией.

Кристаллизация состоит в следующем:
В жидком металле атомы непрерывно движутся. По мере понижения температуры движение замедляется, атомы сближаются и группируются в кристаллы. Эта первичная группа кристаллов получила название центров кристаллизации. Далее к этим центрам присоединяются вновь образующиеся кристаллы. Одновременно продолжается образование новых центров. Таким образом, кристаллизация состоит из двух стадий: образования центров кристаллизации и роста кристаллов вокруг этих центров.

 

Строение слитка

Слитки металла можно различить три зоны с различной структурой (рис. 1). Кристаллизация жидкого металла начинается у поверхности более холодной формы и происходит в тонком сильно переохлажденном слое, примыкающем к поверхности. Вследствие большой скорости охлаждения произойдет образование на поверхности слитка очень узкой зоны 1 сравнительно мелких равноосных кристаллов. За зоной 1 в глубь слитка расположена зона 2 удлиненных дендритных кристаллов (зона транскристаллизации). Рост этих кристалликов происходит в направлении противоположном отводу теплоты (то есть нормально к стенкам изложницы).В случае сильного перегрева металла, быстрого охлаждения, высокой температуры литья и спокойного заполнения формы зона удлиненных дендритных кристаллов может полностью заполнить весь объем слитка (рис. 1) (транскристаллизация).При низкой температуре литья, очень медленном охлаждении, например, крупных отливок создаются условия для возникновения зародышей в средней части слитка. Это приводит к образованию во внутренней части отливки структурной зоны 3, состоящей из равноосных различно ориентированных дендритных кристаллов (рис. 1), размеры которых зависят от степени перегрева жидкого металла, скорости охлаждения, наличия примесей и др.

 

Правило отрезков

Посредством правила отрезков можно определить состав фаз в любой двухфазной области и количественное их соотношение. Правило отрезков состоит из двух частей. Первая часть: для того чтобы определить состав фаз через заданную точку в двухфазной области (точка соответствует конкретной температуре) проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими эту область. Проекция точек пересечения на ось концентрации даст нам состав фаз. Вторая часть: для того чтобы определить количество фаз через заданную точку проводят горизонтальную линию до пересечения с линией, ограничивающей эту область. Отрезки между заданной точкой и точками с соответствующим составом фаз обратно пропорциональны их количеству.

Углеродистые стали

Углеродистой сталью называется сплав железа с углеродом (содержание углерода до 2%) с примесями кремния, серы и фосфора, причем главной составляющей, определяющей свойства, является углерод. Процентное содержание элементов в стали примерно следующее: Fe - до 99,0; С - 0,05-2,0; Si – 0,15-0,35; Mn – 0,3-0,8; S – до 0,06; P – до 0,07. В зависимости от содержания углерода углеродистые стали подразделяют на низкоуглеродистую (до 0,25% С), среднеуглеродистую (0,25-0,6% С) и высокоуглеродистую (более 0,6% С). Различают углеродистые стали обыкновенного качества и качественную конструкционную. К первой группе относится горячекатаная (сортовая, фасонная, толстолистовая, тонколистовая, широкополосная) и холоднокатаная (тонколистовая) сталь; во вторую входят горячекатаные и кованые заготовки диаметром (или толщиной) до 250 мм, калиброванная сталь и серебрянка. Углеродистая сталь - наиболее распространённый вид чёрных металлов.

 

Нагартованная сталь

Мартенситное превращение

Полиморфное превращение, при котором изменение взаимного расположения составляющих кристалл атомов (или молекул) происходит путём их упорядоченного перемещения, причем относительные смещения соседних атомов малы по сравнению с междуатомным расстоянием.

 

Отжиг второго рода.

Термообработка, направленная на получение равновесной структуры в металлах и сплавах, испытывающих фазовые превращения. При отжиге второго рода нагрев и последующее охлаждение может вызвать как частичную, так и полную замену исходной структуры. Отжиг второго рода может быть полным и неполным. Полный отжиг сопровождается полной перекристаллизацией. При неполном отжиге структурные превращения происходят не полностью, с частичным сохранением исходной фазы.

 

Отпуск стали.

Отпуском называют термическую операцию, заключающуюся в нагреве закалённой стали до температур, не превышающих точку Аc1 (т.е. не выше линии PSK), выдержке и последующем охлаждении чаще всего на воздухе. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск частично или полностью устраняет внутренние напряжения, возникшие при закалке.

Различают три вида отпуска стали в зависимости от температуры нагрева.

Низкий проводят при температурах не выше 250...300°С. Происходит частичное обезуглероживание мартенсита и выделение из него некоторого количества избыточного углерода в виде частиц е - карбида железа.

Средний отпуск выполняют при температурах 350...500°С. При таких температурах происходит дальнейшее обезуглероживание мартенсита, приводящее к его превращению в обычный а-раствор, т.е. в феррит.

Высокий отпуск проводят при 500...600°С. Структурные изменения при таких температурах заключаются в укрупнении частиц цементита. В результате этого образуется феррито-цементитная смесь, называемая сорбитом отпуска.

 

Цеметация

Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950 ^oС.

Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25 %).

Нагрев изделий осуществляют в среде, легко отдающей углерод. Подобрав режимы обработки, поверхностный слой насыщают углеродом до требуемой глубины.

Глубина цементации (h) – расстояние от поверхности изделия до середины зоны, где в структуре имеются одинаковые объемы феррита и перлита (h. = 1…2 мм).

Степень цементации – среднее содержание углерода в поверхностном слое (обычно, не более 1,2 %).

Азотирование

Азотирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностные слои насыщаются азотом.

При азотировании увеличиваются не только твердость и износостойкость, но также повышается коррозионная стойкость.

При азотировании изделия загружают в герметичные печи, куда поступает аммиак NH₃ c определенной скоростью. При нагреве аммиак диссоциирует по реакции: 2NH₃>2N+3H₂. Атомарный азот поглощается поверхностью и диффундирует вглубь изделия.

Фазы, получающиеся в азотированном слое углеродистых сталей, не обеспечивают высокой твердость, и образующийся слой хрупкий.

Для азотирования используют стали, содержащие алюминий, молибден, хром, титан. Нитриды этих элементов дисперсны и обладают высокой твердостью и термической устойчивостью.

Цианирование

Цианирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностьнасыщается одновременно углеродом и азотом.

Осуществляется в ваннах с расплавленными цианистыми солями, например NaCN с добавками солей NаCl, BaCl и др.

Глубина слоя и концентрация в нем углерода и азота зависят от температуры процесса и его продолжительности.

Цианированный слой обладает высокой твердостью 58…62 HRC и хорошо сопротивляется износу. Повышаются усталостная прочность и коррозионная стойкость.

Продолжительности процесса 0,5…2 часа.

 

Диффузионная металлизация.

Диффузионная металлизвция – химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных изделий насыщается различными элементами: алюминием, хромом, кремнием, бором и др. Диффузионную металлизацию можно проводить в твердых, жидких и газообразных средах.

При твердой диффузионной метализации металлизатором является ферросплав с добавлением хлористого аммония (NH₄Cl).

Жидкая диффузионная метализация проводится погружением детали в расплавленный металл (например, алюминий).

Газовая диффузионная метализация проводится вгазовых средах, являющихся хлоридами различных металлов.

Конструкционные стали.

Конструкцио́нная сталь — сталь, которая применяется для изготовления различных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладает определёнными механическими, физическими и химическими свойствами.

Качество конструкционных углеродистых сталей определяется наличием в стали вредных примесей фосфора (P) и серы (S).

§ Обыкновенного качества — P и S — до 0.05 % (маркировка Ст).

§ Качественная — P и S — до 0.035 % (маркировка Сталь).

§ Высококачественная — P и S — до 0.025 % (маркировка А в конце марки).

§ Особовысококачественная — Р и S — до 0.015 % (маркировка Ш в конце марки).

 

Цементненые стали.

????

Улучшаемые стали.

— это углеродистые и легированные стали, содержащие 0,3…0,55% углерода, основным способом упрочнения для них является улучшение (закалка и высокий отпуск), обеспечивающее получение структуры сорбита. Содержание углерода определяет близкий уровень механических свойств 900… 1000 МПа, от ~ 650…750 МПа при высокой ударной вязкости как углеродистых, так и легированных сталей. Но эти свойства для углеродистых и легированных сталей достигаются в разных сечениях в зависимости от уровня легирования.

 

Пружинные стали.

— это низколегированный сплав, среднеуглеродистая или высокоуглеродистая сталь с очень большим пределом текучести. Это позволяет изделиям из пружинной стали возвращаться к исходной форме несмотря на значительный изгиб и скручивание. Главное требование состоит в том, чтобы сталь имела высокий предел упругости (текучести). Это достигается закалкой с последующим отпуском при температуре в районе 300—400° С. При такой температуре отпуска предел упругости (текучести) получает наиболее высокое значение.

Шарикоподшипниковые стали.

Подвергаются воздействию высоких нагрузок переменного характера. Основными требованиями являются высокая прочность и износостойкость, высокий предел выносливости, отсутствие концентраторов напряжений, неметаллических включений, полостей, ликваций.

Шарикоподшипниковые стали характеризуются высоким содержанием углерода (около 1 %) и наличием хрома (ШХ9, ШХ15).

Стали подвергаются строгому металлургическому контролю на наличие пористости, неметаллических включений, карбидной сетки, карбидной ликвации.

Термическая обработка включает отжиг, закалку и отпуск. Отжиг проводят после ковки для снижения твердости и подготовки структуры к закалке. Температура закалки составляет 790…880 ^oС в зависимости от массивности деталей. Охлаждение – в масле (кольца, ролики), в водном растворе соды или соли (шарики). Отпуск стали проводят при температуре 150…170^oС в течение 1…2 часов. Обеспечивается твердость 62…66 НRC.

 

Быстрорежущие стали

— легированные стали, предназначенные, главным образом, для изготовления металлорежущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания. Быстрорежущая сталь должна обладать высоким сопротивлением разрушению, твёрдостью и красностойкостью.

Высоким сопротивлением разрушению и твердостью в холодном состоянии обладают и углеродистые инструментальные стали. Однако инструмент из них не в состоянии обеспечить высокоскоростные режимы резания. Легирование быстрорежущих сталей вольфрамом, молибденом, ванадием и кобальтом обеспечивает горячую твердость и красностойкость стали.

Штамповые стали

— стали, применяемые для изготовления инструментов, необходимых для обработки металлов давлением, таких как штампы, ролики, валики, пуансоны и т. д. Своё название получили по виду самого используемого инструмента.

Твёрдые сплавы

— твёрдые и износостойкие металлические материалы, способные сохранять эти свойства при 900—1150 °C. В основном изготовляются из высокотвердых и тугоплавких материалов на основе карбидов вольфрама, титана, тантала, хрома, связанные кобальтовой металлической связкой, при различном содержании кобальта или никеля.

Различают спечённые и литые твёрдые сплавы. Спеченные твердые сплавы получают методами порошковой металлургии и они поддаются только обработке шлифованием или физико-химическим методам обработки (лазер, ультразвук, травление в кислотах и др), а литые твердые сплавы предназначены для наплавки на оснащаемый инструмент и проходят не только механическую, но часто и термическую обработку.

 

Сплавы на основе алюминия

· Алюминиево-магниевые сплавы характеризуются сочетанием удовлетворительной прочности, хорошей пластичности, очень хорошей свариваемости и коррозионной стойкости. Кроме того, эти сплавы отличаются высокой вибростойкостью.

· Алюминиево-марганцевые сплавы обладают хорошей прочностью, пластичностью и технологичностью, высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью.

· Алюминиево-медные сплавы в термоупрочненном состоянии достигают, а иногда и превышают, механические свойства низкоуглеродистых сталей. Эти сплавы высокотехнологичны. Однако у них есть и существенный недостаток — низкое сопротивление коррозии, что приводит к необходимости использовать защитные покрытия.

и др.

 

Типы связей в твёрдых телах (ионная, ковалентная, металлическая)

Ионная связь – присуща химическим соединениям, образованным элементами с резко различающейся валентностью. Так металлы, имея 1 или 2 электрона на внешней орбите, которые не прочно связаны с ядром, вступая в реакцию с неметаллами, металлы отдают электроны и превращаются в ионы. Неметаллы принимают эти электроны, превращаясь в отрицательные ионы => ионная связь обеспечивает электро – статическое притяжение.

Ковалентная связь – устанавливается в результате образования устойчивых соединений, путем обобществления электронов группой атомов. Обобществление электронов зависит от валентности элемента и определяется по следующей зависимости: C = 9 – M, где C – число атомов обобществляющих электрон, 9 – устойчивая электронная конфигурация, M – валентность элемента. Ковалентная связь возникает между атомами соседей, которые обобществляют один из электронов соседа. Ковалентная связь характерна для кристаллических тел.

 

Металлическая связь – гибкая, нежесткая. Свойства металлов: высокая прочность, пластичность, электропроводность, теплопроводность.
Металлическая связь характерна всем металлам и их сплавам => металлы широко применяются в производстве.