книги / Строение и свойства металлических сплавов

С. 3. Бокштейн

Строение и свойства

металлических сплавов

Издательство „Металлургия"

М о с к в а 1971

ПРЕДИСЛОВИЕ

Наука о металлах переживает период бурного развития и, по­ добно развивающемуся организму, проходит стадии, в извест­ ной мере кризисные.

С одной стороны, наука о металлах обязана учитывать насущные вопросы практики — поставлять материалы, удовлет­ воряющие необычайно высоким и разнообразным требованиям машиностроения и новых отраслей техники. Условия эксплуата­ ции деталей машин и приборов делают эту задачу весьма сложной. Металловедение не может пока отказаться от многих чисто эмпирических приемов, на основе которых даются практи­ ческие рекомендации, хотя для этого приходится проводить трудоемкие и длительные эксперименты. С другой стороны, в металловедение в настоящее время весьма интенсивно внед­ ряются новые физические представления и физические методы исследования, сильно обогащающие науку о металлах. В част­ ности, необычайно расширяются возможности исследования металлов благодаря применению ядерных излучений, резонан­ сных методов, дифракционного анализа и т. д.; для выяснения атомного механизма явлений привлекаются представления кван­ товой механики, статистической физики, теории поля, термоди­ намики необратимых процессов и др. Можно ожидать нового серьезного шага вперед в связи с проникновением в металлове­ дение математики, использованием методов математического планирования эксперимента, внедрением вычислительной техники.

Физика твердого тела позволяет сейчас объяснить многие процессы и свойства металлов. Хорошими, хотя, быть может, и тривиальными примерами являются теория дислокаций и теория диффузии. В ряде случаев выводы физического металловедения дают новые подходы к решению практических задач. Мы, несом­ ненно, являемся свидетелями процесса сближения теоретического и практического металловедения, который и должен привести к преодолению кризиса, к созданию такого положения, когда на основе общих соображений можно будет создавать сплавы с заданными свойствами. В этом отношении интересно мнение физика-теоретика: «...один бог знает, сколько миллионов дол­ ларов не жалко заплатить, чтобы узнать, что на самом деле

5

происходит с графитом в ядерном реакторе, или выяснить, по­ чему столь катастрофически быстро проявляется усталость металла в чудовищно дорогом самолете. Мы можем оказаться у порога новой технологической революции. Ближайшие два де­ сятилетия могут стать эпохой «науки о материалах», когда создание материалов из волокон, сплавов, керамики с требуемы­

металловедения практического, например проблемами высокой прочности, жаропрочности, поведения материалов в специальных условиях — в глубоком вакууме, глубоком холоде, при высоком давлении, а также в условиях воздействия радиации, различных полей и сред.

Теория показала, какие резервы свойств, какие потенциаль­

с практикой и где еще имеется разрыв. Однако главное заклю­ чается в том, что мы наблюдаем глубокое взаимное влияние и вместе с тем недостаточно полную связь металловедения и ме­ таллофизики, одна из причин которой состоит в том, что неко­ торые вопросы физики металлов получают весьма специализи­ рованное развитие и их приложение к вопросам практики ока­ зывается достаточно трудным. Это одна из характерных особен­ ностей современного этапа науки о металлах. Важно найти пути

математики и физики в металловедении, а с другой — некоторые металлофизики, увлекаясь математическим аппаратом, забыва­ ют (а порой вынуждены это делать), что имеют дело с реальны-

1 З а й м а м Дж. Усп. физ. наук., 1969, т. 97, в. 1, с. 160.

6

ми металлическими материалами, а не их идеализированными моделями.

Металловеду приходится постоянно иметь в виду, что объектом его исследований является кристаллическое вещество. Поэтому структурный аспектуявляется основным, а основной задачей остается установление качественных и количественных связей между строением и свойствами. Однако ответить на вопрос, какой смысл вкладывается в понятие строение металла, непросто. По мере развития физических методов исследования и физических представлений это понятие становится все более сложным и емким.

Стало ясным огромное значение, которое имеют в формиро­ вании свойств металлического сплава локальное состояние кристаллической решетки, отклонения структуры от идеальной, химического состава от однородности, значение элементарных процессов, лежащих в основе структурных и фазовых изменений, среди которых одним из наиболее общих и первичных является процесс диффузии. Развитие многих процессов и изменение структуры и свойств протекает локально и неравномерно. Хими­ ческая неоднородность непосредственно связана со структурной, и эта связь существенно определяет кинетические особенности процессов, протекающих в материале, и поведение его в усло­ виях эксплуатации.

Деление свойств ца структурно чувствительные и структурно нечувствительные хотя\и является удобным, но в известной мере условно. Хорошо известно, что мн$гие важные свойства (которые принято считать структурно нечувствительными) зависят от строения атома и характера межатомного взаимодействия.

Более того», ядро, которое обычно считают безучастным к химическим процессам, в действительности может в результате химического взаимодействия атомов менять свое состояние (на­ пример, время полураспада радиоактивного лития изменяется на 20% в зависимости от того, находится ли он в виде элемента или в соединении LiH). Некоторые новые методы, весьма эффек­ тивные в физике твердого тела и металловедении, связаны со свойствами ядра. К ним относятся, например, метод меченых атомов И метод, основанный на использовании эффекта Мессбауэра. От ряда материалов, применяемых в атомной энергети­ ке, требуются определенные свойства ядра.

Некоторые процессы, имеющие непосредственное отношение

7

Таким образом, длина волны или частота излучения зависит от электронной структуры атомов данного элемента.

Классическая и волновая механики по-разному отвечают на вопрос о возможности точного определения местоположения электрона в атоме. В классической механике допускается сколь угодно точное одновременное определение координаты и импуль­ са mv частицы. Согласно волновой механике, такой опыт в принципе невозможен, поскольку определение, например, коор­ динаты частицы приводит к столь сильному возмущению ее импульса, что значение его становится существенно неопределен­ ным. Если масса значительна, то эта неопределенность прене­ брежимо мала и может не учитываться. Но для микрочастиц она резко возрастает.

Повышение точности измерения координаты увеличивает неточность в измерении скорости, и наоборот. Эта связь количе­ ственно описывается «соотношением неопределенностей» (Гей­ зенберг). Если неточность определения координаты Ах, а Арх — неточность измерения х-составляющей импульса, то ДхДрх ^ h, т. е. не может быть меньше постоянной Планка. Аналогично при одновременном измерении энергии и момента времени, когда она

Чтобы определить поведение частицы, движущейся под дей­ ствием заданных сил, необходимо [1]:

а) написать волновое уравнение (уравнение Шредингера) для частицы, раскрыв в явном виде зависимость потенциальной энергии от координат:

вероятность нахождения частицы в единичном элементе объема с координатами х, у, z.

Иными словами, если заданы частицы и силовые поля, в которых они движутся, квантовая механика позволяет предска­ зать поведение этих частиц, т. е. вероятность их нахождения в некоторой области и спектр энергий. С помощью этой теории были предсказаны результаты ряда фундаментальных атомных

* (1.2) — стационарное уравнение Шредингера; ф — функция не зависит яв­ но от времени.

10