Физические свойства металлов и сплавов

Б.Г. Лившиц, В.С. Крапошин, Я.Л. Линецкий.

Металлургия, 1980 г.

В учебнике рассмотрены физические свойства металлов и сплавов и их зависимость от структуры и состава реальных объектов.

Понятия «физические свойства» и «структура» условны и нуждаются в уточнении.

Один из важнейших признаков структуры —это дефекты кристаллического строения, т. с. вакансии, дислокации, дефекты упаковки, примесные атомы в небольших количествах. Значительное количество атомов, введенных в металл, изменяет его со став и не может рассматриваться как дефект структуры. В этом случае следует говорить о легировании, которое изменяет фазовое состояние металла. Кроме того, внутренние напряжения и границы зерен также могут влиять на физические свойства металла. Однако современное модельное описание напряжений и границ зерен сводит их к совокупности дефектов кристаллического строения. Таким образом, рассматривая влияние структуры на свойства, мы прежде всего подразумеваем их зависимость от дефектов строения. К структурным особенностям поликристаллических тел, влияющим на свойства, относится и кристаллическая текстура. Степень ее совершенства или отсутствие текстуры влияют на значение свойства, чувствительного к анизотропии кристалла. Кроме текстуры, связанной с кристаллической анизотропией, на структурно чувствительные свойства двух- и многофазных сплавов влияет также текстура, связанная с относительным рас положением структурных составляющих.

Таким образом, структурная чувствительность свойств — это их зависимость от кристаллических дефектов и текстуры. Почти все свойства—структурно чувствительны. Некоторые свойства, однако, так мало зависят от структуры, что они могут быть признаны структурно нечувствительными. В качестве наиболее яркого примера структурно нечувствительного свойства можно привести намагниченность насыщения {удельный магнитный момент) ферромагнетика, которая равна сумме атомных моментов в единице объема вещества.

Все свойства как структурно чувствительные, так и структурно нечувствительные, зависят от фазового состояния, т. е. от состава, количественного соотношения и кристаллической структуры фаз, из которых состоят металлические тела. Например, однофазный ферромагнитный сплав, представляющий собой твердый раствор, может быть неупорядоченным или в различной степени упорядоченным, т. е. находиться в различном фазовом состоянии. В зависимости от степени упорядочения изменяется такое свойство, как намагниченность насыщения, хотя оно структурно нечувствительно. Состав сплава —это характеристика фазового состояния. Часто трудно отделить влияние структуры от влияния фазового состояния на то или иное свойство, однако при сочетании структурного анализа и измерения этого свойства такое разделение воз можно. Например, при холодной деформации упорядоченного твердого раствора его электрическое сопротивление возрастает, причем под влиянием двух действующих факторов. Во-первых, уменьшается Степень порядка (фазовое изменение) и, во-вторых, увеличивается плотность дислокаций и других дефектов (структурное изменение). Разделить указанные два воздействия возможно, если, изменяя Степень деформации, на одних и тех же образцах измерять электросопротивление и определять Степень упорядочения и искажения решетки рентгеновским или каким-либо другим структурным методом.

Отсюда следует, что после того как определены свойства и вы полнен структурный анализ, измерением данного свойства в не которых случаях молено пользоваться как косвенным методом структурного анализа. Это, однако, не всегда возможно. Тем не менее измерение свойств даст важную информацию при металловедческом исследовании. Кроме того, во многих случаях измерение физических свойств более производительно и дешево, чем непосредственно структурные исследования.

Особенно полезно сочетание измерений различных свойств — структурно чувствительных и структурно нечувствительных. Оно позволяет решать многочисленные задачи, сводящиеся к анализу фазового и структурного состояния металлов и сплавов и к анализу изменения этого состояния при обработке.

При описании физических свойств чистых металлов прежде всего обращают внимание на зависимость этих свойств от положения металла в периодической системе элементов Менделеева. измерение физических свойств сплавов в тех случаях, когда они важны, как эксплуатационные дает непосредственную технологическую информацию.

Следует остановиться также и на понятии «физические свойства». Это понятие также условно. Физические свойства противопоставлены механическим. Разумеется, все свойства вещества физические, среди них и механические. Однако есть признак, хотя и чисто внешний, позволяющий разделить все свойства на так называемые физические и механические. Этот признак основан на некоторых результатах измерения свойств.

В то время как при измерении механических свойств тела оно подвергается разрушению или необратимой деформации, измерение физических свойств не вызывает его остаточной деформации. Кроме того, для металлов теория механических свойств в основ ном основана на теории кристаллических дефектов, а теория физических свойств — это преимущественно теория динамики решетки и взаимодействия электронов между собой и с полем решетки.

В данном учебнике приведены выводы теории физических свойств, но главным образом рассмотрено влияние на них реальной структуры и состава.

Глава 1 Теплоемкость и энтальпия

Эти свойства являются важнейшими при исследовании структурных и главным образом фазовых превращений в сплавах. Изучая температурную зависимость энтальпии, можно определить изменение теплоемкости и скрытую теплоту превращения, а измеряя температуру при нагревании или охлаждении с течением времени, можно определить критические точки по перегибам и остановкам на соответствующих кривых. На измерении теплот и температур основаны калориметрический и термический анализы соответственно.