Выявление новых свойств металлических материалов

К сожалению, но это правда, мы плохо знаем и часто недостаточно эффективно используем тот металл, который в настоящее время извлекается из верхних слоев оболочки Земли и перерабатывается в технических целях. Между тем весь накопленный послевоенной физикой, химией и металловедением опыт показал, что для конструирования металлических материалов их чистота и совершенство строения имеют жизненно важное значение.

Представления о чистом и совершенном металле не являются статическими и застывшими. Они изменяются по мере развития и углубления знаний о веществе, появления новых идей, новых технологических процессов и методов исследования. Теперь надежно установлено, что чистый, совершенный металл — это идеализированное понятие, как бесконечность в математике. Даже «чистейший» металл представляет собой «живую» физико-химическую систему, состоящую из кристаллов основного металла, примесей, границ зерен, блоков и различного рода дефектов (поры, вакансии, дислокации). Совокупность этих структурных составляющих, анизотропия кристаллов, примесей и дефектов, наряду с природой металла и окружающей материальной средой, в решающей мере определяют физические, механические, технологические и служебные свойства металлов и сплавов.

По-настоящему чистый металл, т. е. набор атомов только одного сорта, если не считать опытов по искусственному синтезу определенных изотопов некоторых трансурановых элементов, еще не получен, хотя в этом направлении достигнуты большие успехи. Чистый «идеальный» металл, когда он будет создан, окажется очень «беззащитным» веществом, так как различные химически активные примеси (особенно примеси внедрения) и дефекты будут его непрерывно атаковать, пытаться вступить с ним во взаимодействие, нарушить его чистоту и испортить свойства.

Чистый металл, помимо оценки его структуры и свойств как эталона, необходим как исходное вещество для конструирования технологических материалов путем введения определенных добавок других веществ, чтобы достичь заданного изменения свойств. Существующие методы исследования строения твердых тел (гальваномагнитные, резонансные, спектроскопические, ионномикроскопические, электроннооптические, рентгенографические, металлографические, металлофизические и др.) позволяют создать следующую картину строения металла на электронно-атомном, кристаллохимическом, микро- и макроскопических уровнях.

Металлы, сплавы, металлические соединения, как известно, принадлежат к классу кристаллических веществ. Знание структуры кристаллов часто является отправной точкой для правильного понимания типа межатомной связи, фазовых превращений, их физических и химических свойств. В поликристаллическом образце кристаллы располагаются по принципу плотнейшей упаковки. Полигональная форма отдельных зерен является тем идеальным вариантом, в котором одновременно удовлетворяются требования наиболее полного заполнения пространства, топологические ограничения и уравновешиваются напряжения на поверхностях раздела в местах их пересечения. Из-за требования равенства поверхностной энергии угол встречи границ зерен должен составлять приблизительно 120°. Кристаллы обычно разделены замкнутой сеткой субграниц, которые представляют собой отдельные сравнительно малые объемы, отличающиеся друг от друга взаимной ориентировкой на несколько градусов. Они очень хорошо выявляются методом рентгеновской топографии. По границам субзерен обычно происходит сегрегация примесей внедрения. Распределение примесей в металлических кристаллах является анизотропным и локальным. Это хорошо показывают проектные методы и высоковольтная электронная микроскопия.