О На* # СГ Решетка .алпаза гМ-КО.Ц.К2-П-У-

Рис. 3. Типичные кристаллические структуры

Межатомные связи могут быть обусловлены и обобщением валентных электронов. Такие связи называются ковалентными. Типичным примером является углерод, имеющий в свободном состоянии 2б2 и 2р2-валентных электрона, которые в кристалле алмаза переходят на гибридные орбиты ер3. В алмазе (см. рис. 3) каждый атом углерода имеет четырех ближайших равноудаленных соседей, с которыми он связан двумя обобщенными электронами. Локализация у каждого атома восьми электронов создает устойчивую электронную конфигурацию. Ковалентные связи — строго направленные. Поэтому пластическая деформация кристаллов с такими связями (например, германий и кремний) возможна только при повышенной температуре. Попытки пластически деформировать кристаллы с чисто ковалентной связью при низкой температуре приводят к разрыву направленных ковалентных связей и к разрушению кристалла [143].

В металлическом кристалле ионы металла, расположенные в узлах решетки, связываются валентными электронами, частично локализующимися у остовов атомов, а частично находящимися в коллективизированном состоянии в виде так называемого электронного газа. Для анализа процессов сварки особенно важны две характеристики металлической связи: энергетическая устойчивость образующихся в кристалле электронных конфигураций и степень направленности связей. Статистический набор стабильных конфигураций, образуемых локализованной частью валентных электронов, и энергетическая устойчивость этих конфигураций обусловливают трудность возбуждения вещества при химических и физических процессах [123]. Жесткость направленных связей определяет склонность металла к хрупкому разрушению [143].

Бее элементы можно разделить на три основные группы: в-элементы, атомы которых имеют только валентные 5-электроны, а белее глубоко лежащие электронные оболочки полностью заняты или свободны; и /^-элементы с достраивающимися внутренними & и ^-оболочками; «р-элеменгы с валентными вр-элек-троиами [123]. К первой группе (табл. 1) относятся щелочные и щелочноземельные элементы (бериллий, магний) и металлы под-груш цинка и меди. Для них характерно образование преиму-

щи" инлпю в^стабильных конфигураций локализованных элек-тронои. Для второй группы (переходных металлов) присущи стабильные конфигурации сР, йъ и йи ((/-элементы, Ие, Мп, N1), Т1, V/, Мо н др.) или /", Р и /14 (для /-элементов). Третья группа (яр-эле-мгмш) характеризуется образованием гибридных конфигураций яр*, стремящихся к превращению в более стабильные яр3 и'Ж сош-рми шн) стабильные 52р6-конфигурации.

Рассмотрим несколько подробнее переходные металлы с не-|щ финиши (Iоболочкой, имеющие очень большое практическое щп'кпш' Выше отмечалось, что наложение пяти или десяти й-ор-бш прпиоднт к сферической симметрии, обладающей высокой тергртнческой устойчивостью, а чем она выше, тем прочнее связь п ((им нетственно выше температура плавления. Наибольшей энер-1 ггп'кч'кон устойчивостью обладает конфигурация йъ, несколько меньшей й10 и еще меньшей й°. Любой из переходных металлов, имеющих в свободном состоянии от одного (скандий) до пяти й-эпек-срОиои (хром, молибден, марганец), образует в кристалле все конфигурации от й° до йъ\ при этом чем больше число ^электронов у ( пободного атома, тем выше вероятность образования с?в-конфи-i ур.щмм и тем больше статистический вес этих энергетически наиболее устойчивых конфигураций. При переходе к металлам с более чем пятью (/-электронами, наряду с ^-конфигурациями появляются менее устойчивые ^-конфигурации, причем в количестве 1см большем, чем больше с?-электронов в металле.

Как же валентные электроны распределяются между локализованным и коллективизированным состояниями? Например, у циркония, имеющего четыре (й + Бивалентных электрона, 2,6 элек-|рона локализованы и 1,4 коллективизированы. У ниобия с пятью (Н |- $)-валентными электронами локализованы 3,7—3,9 электронов. Чем выше статистический вес ^-состояний, тем больше доля локализованных электронов и тем прочнее связь. Электроны в ^-состоянии коллективизированы и ослабляют связь. Высокая тугоплавкость вольфрама с 52/4-валентными электронами свободного атома объясняется тем, что в кристалле один из «-электронов переходит в ^-состояние и достраивает наиболее устойчивую Л6 конфигурацию. В марганце, несмотря на пять ^-электронов, наличие двух б-электронов ведет к увеличению доли коллективизированных электронов и к ослаблению связи.

Металлы обычно кристаллизуются в одну из простейших форм решетки (см. рис. 3): объемноценгрированную кубическую (о. ц. к), гранецентрированную кубическую (г. ц. к.) или гексагональную плотноупакованную (г. п у.). В кристаллах происходит гибридизация электронных состояний. Наиболее «жестко» направленные связи создаются электронами на й-орбитах [143]. Доля таких орбит для переходных металлов в зависимости от типа кристаллической решетки составляет: для о. ц. к.-решетки 0,9; для г. ц. к.{—0,5 и для г. п. у. —0,7 [123].