5.2. Общая характеристика металлов

К металлам относится большая группа элементов таблицы Менделеева (86 из 106 элементов таблицы) и их соединения (сплавы), отличительными свойствами которых является высокая электропроводность и теплопроводность. В твердом состоянии металлы, как правило, имеют кристаллическую структуру: в узлах кристаллической решетки располагаются ионы с положительным зарядом. Электроны самой последней от ядра орбиты (валентные электроны) настолько слабо связаны с ионами, что под действием окружающей температуры (температура, как известно, есть мера квадрата скорости электронов) отрываются от своих атомов и хаотично, подобно газу, перемещается в межкристаллическом пространстве. Плотность свободно перемещающихся электронов (называемых электронами проводимости) составляет порядка 10²² – 10²³ см^-3, что в 150 раз больше, чем число молекул газа в том же объеме при атмосферном давлении.

Сохраняют свою форму твердые тела и, в частности, металлы, благодаря действию электростатических сил, описанных в гл. 4. На большом удалении атомов друг от друга действуют силы притяжения между отрицательно заряженными электронами оболочек и положительно заряженными ядрами соседних атомов. По мере сближения атомов электростатические силы нарастают, усиливая эффект. Поскольку атомы являются сложной системой электрических зарядов, сила их взаимодействия F определяется не законом Кулона, а величиной, пропорциональной седьмой степени расстояния, т.е. F ~ k/r⁷.

Н а рис. 5.1 показана зависимость силы электростатического взаимодействия между двумя атомами F как функция расстояния r [Фей, 1, с.217]. Видно, что по мере сближения атомов сила притяжения растет. Но при этом начинают существенно влиять силы отталкивания между положительно заряженными ядрами и общий эффект притяжения ядер убывает, пока суммарная сила взаимодействия на расстоянии d между ядрами не станет равна нулю. При дальнейшем сближении атомов силы отталкивания быстро нарастают.

Следовательно, стабильность формы металлов, их сопротивление сжатию и растяжению определяются силами электростатического взаимодействия между атомами.

В области d равенства сил притяжения и отталкивания имеется небольшой участок, в пределах которого функция F(r) линейна. Это означает, что после устранения силы сжатия или растяжения, например, металлического стержня длиной l на малую длину Δl, он восстановит свой размер l. Этот эффект называется упругой деформацией и позволяет изготавливать упругие узлы ИП (мембраны, пружины, сильфоны и т.д.). Отношение приращения длины Δl к самой длине l называется относительным удлинением ε = Δl/ l. Внешняя сила F_В, необходимая для деформации стержня с единичной площадью поперечного сечения называется нормальным напряжением σ (размерность – Па). Если площадь поперечного сечения стержня равна S, то σ = F_В/S. В пределах области упругой деформации тел относительная деформация и нормальное напряжение связаны между собой законом Гука:

σ = Е·ε, (5.1)

где Е – постоянная для каждого металла величина (размерность – Па), называемая модулем упругости или модулем Юнга; для образцов стали Е ≈ 2·10¹¹ Па.

Смысл модуля упругости можно понять, если положить ε = 1: это напряжение, которое необходимо приложить к стержню для удвоения его длины. Конечно, реально никогда такое напряжение к образцам не прикладывается – они будут деформированы безвозвратно или разрушатся; обычно величина ε не превышает 0,001 – 0,003.

В процессе упругой деформации изменяется не только длина стержня l, но и его поперечные размеры. Экспериментально установлено, что в пределах упругой деформации относительное изменение поперечных размеров стержня , отнесенное к относительной продольной деформации ε, для данного материала есть величина постоянная, называемая коэффициентом поперечной деформации или коэффициентом Пуассона μ:

^{. (5.2)}

Для большинства металлов μ ≈ 0,3.

С воздействием механической силы на металлический образец связан еще один эффект: изменение геометрических размеров образца (например, при растягивающих усилиях длина стержня увеличивается, а поперечное сечение уменьшается) приводит к изменению его электрического сопротивления. Это явление называется тензорезистивным эффектом. Его мы рассмотрим подробнее позднее, но уже сейчас можно заметить, что, используя тензоэффект, можно силы (или давления) преобразовать в изменение электрического сопротивления проволоки.