1 Зміст розрахунково-графічної роботи

Розрахунково-графічна робота включає варіант індивідуального завдання та два розділи у відповідності до варіанту завдання. В першому розділі студент приводить теоретичні відомості по варіанту індивідуального завдання. В другому розділі відповідно до варіанту завдання проводяться необхідні розрахунки. У розрахунково-графічній роботі повинні міститись розрахункові схеми та рисунки.

В кінці РГР приводиться перелік технічної літератури, яка використовувалась при виконанні роботи.

2 Варіанти теоретичних завдань до розрахунково-графічної роботи

1. Методи інженерії поверхні.

2. Кристалічні та аморфні тіла.

3. Основні поняття кристалографії. Типи решіток і кристалічної структури.

4. Міжмолекулярні сили зв'язку і їх природа.

5. Міжатомні сили зв'язку і їх природа.

6. Будова й властивості поверхневих шарів металу.

7. Структуру поверхневих шарів металів.

8. Недосконалості структури матеріалів.

9. Сегрегаційні явища на поверхні.

10. Поверхнева енергія.

11. Поверхнево-активні речовини і їхній вплив на стан поверхні.

12. Поверхневий й міжфазний натяг.

13. Адсорбції. Вплив різних факторів на процеси адсорбції.

14. Фізична абсорбція та хемосорбцією. Практичне значення адсорбції.

15. Окислювання поверхні металів. Кінетика утворення й росту товстих і тонких плівок.

16. Випаровування металів.

17. Основні фізичні процеси поглинання газів матеріалами. Розчинення газів у металах.

18. Електрокапілярні явища та причини виникнення капілярного тиску.

19. Умова розтікання рідини по поверхні твердого тіла.

20. Вплив оточуючого середовища та температури на змочування та розтікання.

21. Вплив стану поверхні та її шорсткості на змочування та розтікання.

22. Електричні явища на поверхні твердих тіл та в площині контакту.

23. Адгезія. Загальні відомості.

24. Адгезія рідини, часток та плівок.

25. Основні механізми (теорії) адгезії.

26. Робота адгезії та когезії. Теоретичні та експериментальні методи визначення.

27. Вплив стану поверхні на адгезію.

28. Практичне значення адгезії. Схоплювання поверхонь.

29. Природа утворення нероз’ємних з’єднань у твердому та рідкому стані.

30. Сутність трьохстадійності процесу зварювання у твердій фазі.

3 Варіанти практичних завдань до розрахунково-графічної роботи

Таблиця 1 – Вихідні дані

Варі­ант	Метал	Тип кристалічної градки	Теплота сублімації Hсубл, кДж/моль	Теплота випаровування Hвип, кДж/моль	Крайовий кут змочування твердого тіла рідким металом , 
1	Al	ГЦК	323,1	293,4	12
2	Ni	ГЦК	423,4	370,4	23
3	Cu	ГЦК	367,5	304,6	36
4	Ag	ГЦК	284,6	250,6	42
5	Au	ГЦК	368,8	334,4	57
6	Pb	ГЦК	194,9	177,7	68
7	Ti	ГЩУ	468,9	421,0	79
8	Nb	ОЦК	722,1	682,0	87
9	Ta	ОЦК	780,6	743,0	93
10	Cr	ОЦК	396,1	344,3	107
11	Mo	ОЦК	658,8	598,0	116
12	W	ОЦК	919,0	824,0	129
13	Fe	ОЦК	373,6	349,6	135
14	Co	ГЩУ	424,9	376,5	146
15	Zn	ГЩУ	129,6	115,3	150
16	Na	ОЦК	108,1	96,9	162
17	Zr	ГЩУ	600,6	582,0	12
18	Bi	ГЦК	197,9	104,8	29
19	Al	ГЦК	323,1	293,4	38
20	Ni	ГЦК	423,4	370,4	44
21	Cu	ГЦК	367,5	304,6	52
22	Cr	ОЦК	396,1	344,3	69
23	Mo	ОЦК	658,8	598,0	72
24	W	ОЦК	919,0	824,0	85
25	Fe	ОЦК	373,6	349,6	93
26	Co	ГЩУ	424,9	376,5	107
27	Zn	ГЩУ	129,6	115,3	114
28	Ag	ГЦК	284,6	250,6	123
29	Au	ГЦК	368,8	334,4	136
30	Nb	ОЦК	722,1	682,0	145

Умовні позначення:

ГЦК – гранецентрована кубічна;

ГЩУ – гексагональна щільноупакована;

ОЦК – об’ємноцентрована кубічна.

4 Короткі теоретичні відомості до виконання

розрахунково-графічної роботи

Мінімальна енергія, необхідна для утворення одиниці площі поверхні поділу фаз в умовах сталого об'єму і сталої температури, називається поверхневою енергією чи енергією поверхні поділу.

У зв'язку з тим, що в атомах на поверхні з одного боку немає сусідніх атомів, їх енергія більша, ніж енергія атомів усередині ґратки. Надлишок енергії атомів на поверхні зумовлює виникнення поверхневої енергії.

Поверхнева енергія – важлива характеристика, від якої залежить, протікання багатьох процесів. Поверхнева енергія відіграє значну роль у процесах зварювання, паяння, склеювання, нанесення покриття.

Теоретичне та експериментальне визначення поверхневої енергії є складною задачею. Найбільш достовірні результати дає визначення її за допомогою рівнянь, що пов'язують теплоту сублімації з ближнім порядком у кристалі. Ця теорія використовується здебільшого для оцінки поверхневої енергії металів і оксидів.

Явище адгезії відноситься до числа поверхневих явищ, тобто таких, які виникають на границі розділу контактуючих фаз. Фазою називають однорідну частину системи, що володіє однаковим складом, фізичними й хімічними властивостями й відділену від інших частин системи поверхнею розділу. Адгезія, змочування й розтікання відносяться до міжфазної взаємодії, що відбувається між конденсованими фазами. Очевидно, що змочування й розтікання припускають наявність хоча б однієї з фаз у рідкому стані й обумовлені адгезійною взаємодією. Адгезії між двома твердими тілами часто сприяє попередній перехід хоча б однієї з фаз у рідкий стан для збільшення інтенсивності молекулярно-кінетичного руху й здійснення необхідного контакту (зварювання плавленням, паяння, склеювання та окремі способи нанесення покриття). Тому, як правило, адгезія й змочування супроводжують один одного й відповідним чином характеризують міжфазну взаємодію. Адгезія – результат прагнення системи до зменшення поверхневої енергії. Тому адгезія є процесом, що протікає самовільно.

Теоретична оцінка адгезії на сьогоднішній день ще дуже наближена, що пояснюється не тільки недосконалістю рівнянь, по яких розраховуються сили зв'язків, але й тим, що неможливо оцінити реальне число зв'язків, що доводиться на одиницю площі (воно завжди менше теоретичного, що говорить про можливість збільшення міцності з’єднань). Крім того, важко оцінити справжню площу контакту фаз, яка може бути набагато більше візуально спостережуваної завдяки наявності шорсткості поверхневого шару. Для забезпечення міцності з’єднання шорсткість часто збільшують шляхом спеціальної обробки поверхонь матеріалів. Роботу адгезії й адгезійну міцність експериментально визначають при безпосереднім руйнуванні з’єднання. Роботу адгезії можна визначити й непрямими методами, які особливо зручні, якщо хоча б однієї із взаємодіючих фаз є рідина й можна виміряти, наприклад, крайовий кут.

Для отриманого варіанту практичного завдання виходячи з вихідних даних (таблиця 1) студент повинен провести розрахунок поверхневої енергії металу в твердому та рідкому стані, а потім, використовуючи зв'язок роботи адгезії із крайовим кутом, визначити роботу адгезії рідкого металу при змочуванні поверхні твердого тіла.

4.1 Розрахунок поверхневої енергії металів в твердому та рідкому стані

Мірою сил міжатомного зчеплення твердого тіла може служити енергія зв'язку, або, що те саме, енергія атоматизації Е_s. Енергія зв'язку – це енергія, необхідна для поділу твердого тіла на нейтральні атоми. Прийнято вважати, що для металів енергія зв'язку Е_s дорівнює теплоті сублімації металу H_субл.

Значення Е_s зазвичай знаходять розрахунковим шляхом, користуючись напівемпіричними залежностями.

Розглянемо кристал, що містить у собі 1 моль речовини, з координаційним числом Z, що вказує на кількість найближчих рівновіддалених сусідів у кожного атому (для кристалів з ОЦК градками Z=8, з ГЦК та ГЩУ ґратками - Z=12). У ньому є N атомів (число Авогадро – 6,0210²³ моль^-1), а кількість зв'язків дорівнює ½(ZN). Оскільки міжатомні сили діють на короткій відстані, то можна припустити, що поверхнева енергія виникає завдяки зв'язкам між найближчими сусідами. Отже, енергія одиничного міжатомного зв'язку Е₁ дорівнює теплоті сублімації H_субл, поділеній на загальну кількість зв'язків:

(1)

Розглянемо кристали з ГЦК ґратками. Нехай поверхня відколу кристала утворює площину (111). Кожен атом на площині (111) зв'язаний із шістьма сусідніми атомами на цій площині, з трьома атомами нижньої площини та з трьома атомами на верхній площині. Тому при утворенні поверхні розриваються по три зв’язки в кожному атомі. Однак при розколюванні утворюються дві поверхні, і кількість розірваних зв'язків у кожному атомі дорівнює 3/2. Таким чином, для утворення поверхні необхідно на кожний атом витратити енергію:

(2)

Якщо на площині (111) знаходиться N₀ атомів на 1 см², то поверхнева енергія (в Дж/м²) становить:

(3)

Аналогічно розраховується й поверхнева енергія кристалів з ГЩУ ґратками. Поверхнева енергія для кристалів з ОЦК ґратками буде становити:

(4)

Щільність упаковки атомів на поверхні більшості металів (монокристалів) коливається в межах від 1,110¹⁵ до 1,810¹⁵ атомсм^-2. Тому для розрахунків N₀ необхідно брати в середньому 10¹⁵ на 1 см².

При кристалізації і поліморфних перетвореннях у твердому стані, тобто коли відбувається упорядкування чи перебудування ґратки металу, поверхнева енергія змінюється стрибком. Зв'язок між цими величинами виражається залежністю:

(5)

де _тв і _р – густина металу в твердому і рідкому станах (значення приведені в додатку);

H_субл і H_вип – теплота сублімації і випаровування (див. табл. 1).

Для грубих оцінок можна вважати, що при затвердіванні поверхнева енергія твердого металу _тв збільшується порівняно з поверхневою енергією рідкого металу _р до значень приблизно від 1,1_р до 1,3_р.