Главная | Обратная связь

Физическая сущность образования монолитного соединения твердого тела. Типы межатомных связей в твердых телах. Металлическая связь.

Металл и металлические сплавы при комнатной температуре являются кристаллическими телами. В кристаллах атомы располагаются в строгоопределенном порядке и на одинаковом расстоянии. В кристаллах металла это расстояние очень мало и колеблется от 2 до 4 ангстрем

1А⁰= 10^-10м = 10^-1нм.

Позволяет внешним валентным электронам двигаться не только вокруг ядра, а перескакивать на орбиты электронов соседних атомов. То есть сближение атомов на 2-4 А⁰ приводит к коллективизации электронов между атомами, обуславливает возникновение электрических сил, взаимодействие между этими атомами. Коллективизированные электроны слабосвязанные с ядрами атомов при небольших потенциалах создают электрический ток, эти электроны обуславливают высокую электро, теплопроводность, пластичность, металлический блеск. Известно, что одноименные заряды отталкиваются. Так как в металлах атомы отдают свои внешние электроны в общий «коллектив», то они теряют свою нейтральность и превращаются в положительно заряженные ионы, вокруг которых непрерывно движутся электроны. На эти положительно заряженные ионы действуют силы отталкивания и притяжения. Два соседних иона отталкиваются друг от друга, если они одноименно заряжены. Ядра атомов также имеют одноименные положительные заряды. Одноименные заряды отталкиваются, но когда между ними проходит электрон, то они притягиваются к электрону, то есть электрон стягивает соседние положительно заряженные ионы или ядра. Известно, что силы электрического взаимодействия обратно пропорциональны расстоянию между взаимодействующими частицами, поэтому в общем виде потенциальная энергия двух взаимодействующих атомов выражается в виде алгебраической суммы двух членов

, где

r- расстояние между атомами

- выражает энергию притяжения между атомами;

- выражает энергию отталкивания между атомами.

a,b и показатели m,n- некоторые постоянные, зависящие от природы атомного взаимодействия. Силу взаимодействия можно определить как производную от потенциальной энергии.

- Борн и Ланде

F- результирующая сила взаимодействия атома с другими атомами и электронами. При этом должно выполняться условие n>m, необходимо для того, чтобы функция потенциальной энергии имела минимум. Взаимодействующие атомы должны находиться в равновесии при некотором значении r_0. В начале сближения, когда r относительно большое, действуют только силы притяжения. С уменьшением расстояния между атомами возникают силы отталкивания не только между положительно заряженными атомами, но и электронами, расположенными на внутренних оболочках.

Математически условие n>m обеспечивает min потенциальной энергии U,график которой представлен на рисунке 2.

При некотором r₀ силы отталкивания и притяжения уравновешиваются и это положение атомов называется равновесным. С увеличением температуры увеличивается значение r₀. Это объясняет температурное расширение тела.

Атомы, расположенные в глубине тела, окружены большим количеством других атомов, чем поверхностные. Поэтому внутренние тратят больше энергии на взаимодействие, а у поверхностных есть некоторый избыток энергии, которая называется свободной.

Электроны поверхностных атомов выходят на поверхность, где силы электрического взаимодействия направлены только вглубь тела, если сблизить два атома разных поверхностей, то электроны внешних атомов обеспечат соединение этих поверхностей, при этом расстояние должно быть не более 2-4 А⁰. Поверхностные атомы и валентные электроны с одной поверхности перейдут на другую, произойдет коллективизация электронов и формирование неразъемного соединения. В реальных условиях наилучшее сближение в результате полировки поверхности можно получить до 10³ А⁰, поэтому при соприкосновении реальных тел соединение происходит в отдельных точках на микровыступах площадь которых 0,01..0,001,что недостаточно для формирования прочного соединения. Поверхностные атомы, обладая свободной энергией активно взаимодействуют с окружающей средой, что также препятствует формированию соединения. Поэтому используют дополнительную энергию, которая активирует атомы свариваемых поверхностей путем нагрева или путем значительной пластической деформации.