Матеріалознавство

іонний зв'язок – заснований на електростатичній взаємодії між протилежно зарядженими іонами. Іонний зв'язок характерний для з'єднань металів з типовими металоїдами (NaCl, Al2O3);

металевий зв'язок – викликається наявністю вільно рухомих електронів, що здійснюють колективну взаємодію атомів і утримуючих їх на певних відстанях один від одного.  Характерний як для чистих металів, так і  для металевих сплавів;

водневий зв'язок – зв'язок атомів компонентів А і В  за участю атома водню;

молекулярний зв'язок характеризується взаємодією нейтральних молекул (або атомів) на основі слабих електростатичних сил. Молекулярний зв'язок характерний для атомів з електронними оболонками, що відносно легко деформуються, і для тих, що об'єдналися в молекули атомів, здібних до деформації зовнішніх з'єднаних оболонок (більшість полімерів, органічних речовин).

Спільним для будови всіх матеріалів є прагнення до самоорганізації (впорядкованого розташування) всіх часток, що є прямим наслідком основного закону природи: стійким є такий стан системи, при котрому її енергія буде мінімальна. Утворення кристалів чи молекул з ізольованих атомів чи

багатоатомних груп пов’язане зі зниженням енергії системи, і як наслідок,

збільшенням її стійкості.

Самоорганізація речовин може бути представлена як впорядкування його структурних часток. Впорядкування на відстанях, порівняльних з міжатомними, називається ближнім порядком, а впорядкування на необмежено великих відстанях – дальнім порядком. Наявність виду впорядкування обумовлено силами міжатомної взаємодії.

 

4.2. Фази та фазові перетворення.

Характеристика матеріалів за їх агрегатним станом не дозволяє враховувати алотропію чи поліморфізм матеріалів.

 

Алотропія – це існування хімічних елементів у вигляді двох чи більш простих речовин (наприклад: кисень О2 – озон О3 ).

Поліморфізм – здатність одного й того ж матеріалу мати різну кристаліч-

ну будову. Кожен зі станів називається поліморфна модифікація. Позначають поліморфні модифікації – α, β, γ, δ… із збільшенням температури. Різниця в будові поліморфних модифікацій матеріалу зумовлює різницю їх властивостей. Поліморфізм має велика кількість матеріалів: кварц, вуглець, залізо, титан тощо. Поліморфна модифікація  стійка в області визначених температур і тиску, поза якими вона стає нестійкою і потерпає перетворення, що називається поліморфним.

Для однозначної характеристики речовин з врахуванням його можливих

поліморфних  модифікацій  необхідно  описувати  особливості  його  атомної

(молекулярної) будови. Таку можливість дає використання поняття – фаза.

Фаза – термодинамічний рівноважний стан матеріалу (речовини), який характеризується агрегатним станом, атомним складом і  будовою, і відділений границями від інших станів (фаз) того ж матеріалу.

Кожен матеріал складається з однієї чи більше фаз (твердих, рідких чи газових) і однозначно характеризується фазовим складом, що утворюється внаслідок зміни енергії системи за різних обставин. Зміни в фазовому складі матеріалу викликаються фазовими перетвореннями.

Фазове перетворення (перехід) – перетворення матеріалу з однієї фази в іншу при зміні зовнішніх умов температури, тиску, магнітних чи електричних полів та інш. Причому значення фізичної величини при якому відбувається фазовий перехід, називають точкою фазового перетворення (переходу).

Фазові перетворення розглядаються по характеру їх протікання як перетворення першого і другого роду.

Фазові перетворення першого роду – при яких деякі фізичні величини (щільність) чи термодинамічні характеристики змінюються стрибком, і при цьому виділяється чи поглинається теплота фазового перетворення. До цього виду перетворень відносять випарювання – конденсацію, плавлення – затвердіння, сублімація – конденсація в тверду фазу, та деякі структурні переходи в твердих тілах.

Фазові перетворення другого роду – при яких щільність, ентропія та тер-

модинамічні потенціали не змінюються стрибкоподібно, а теплоємкість розширення фаз змінюються стрибком. До фазових перетворень другого роду відносять: перетворення парамагнетик – феромагнетик, перехід в над провідниковий стан, поляризація речовини,  при цьому теплота не виділяється.

 

Дамо характеристику основних фазових перетворень.

Рідкий ↔ газовий стан:

Фазове перетворення рідкого стану в газовий (пароутворення) і зворотне

(конденсація) відбуваються при певній температурі і сильно залежать від тиску при tкип. Рідина може переходити в газовий стан при температурі нижчій за кипіння. Такий процес називають випарювання.

Твердий ↔ рідкий стан:

Процес переходу з твердого (кристалічного) до рідкого стану називають плавленням, а зворотній процес – кристалізацією.  Тверді речовини утворюються з рідких чи газових по мірі зниження температури шляхом зближення атомів  (молекул) і їх групування в кристал (центр кристалізації). Швидкість охолодження, кількість центрів кристалізації та швидкість їх росту визначають будову твердої речовини: кристалічне, аморфне чи скловидне.

Враховуючи можливість фазових перетворень кристалічних речовин в твердому стані розрізняють первинну і вторинну кристалізацію.

Перехід з рідкого стану до твердого із затвердінням є первинна кристалізація. Вона відбувається при температурі tпл  що залежить від тиску. Процес плавлення – затвердіння супроводжується, відповідно, поглинанням чи виділенням теплоти.

Перетворення в будові матеріалу, що відбувається в його твердому стані називають вторинною кристалізацією або перекристалізацією. Така кристалізація можлива у поліморфних матеріалів, при зміні фазового складу сплавів внаслідок зміни розчинності компонентів, при термічній обробці сплавів. Фазові перетворення аморфних речовин:

Характеризуються відсутністю точки плавлення. При збільшенні температури матеріали розм’якшуються, переходять до високо еластичного, а далі

не до рідкого, а до в'язкотекучого стану, який характеризує плавлення матеріалу. Наприклад скло при певному температурному інтервалі плавиться, а при подальшому