Монокристаллы

Обычный поликристаллический металл составлен из отдельных кристалликов — монокристаллов — как стена дома составлена из кирпичей. У физиков, химиков, металловедов, занимающихся исследованиями в области металлов и сплавов, всегда существовало стремление получить отдельные совершенные монокристаллы для изучения их строения и свойств. В отношении легкоплавких металлов и металлов средней тугоплавкости, таких, как, например, олово, цинк, алюминий и медь, эта задача была решена в первой половине нашего века.

Монокристаллы указанных металлов были сравнительно легко получены методом вытягивания из расплава или путем рекристаллизации предварительно деформированных чистых образцов. Все эти операции производились в воздушной атмосфере.

Проблема выращивания монокристаллов тугоплавких и редких металлов в течение ряда лет казалась неразрешимой из-за их высокой температуры плавления и большой химической активности. Получить монокристаллы из этих металлов удалось лишь после того, как в 50— 60-е годы этого столетия был создан новый комплекс средств химической технологии получения чистых веществ и вакуумной металлургии.

В 1960—1961 гг. в лаборатории редких металлов и сплавов Института металлургии им. Байкова АН СССР (ИМЕТ) были получены монокристаллы всех тугоплавких металлов (вольфрам, молибден, рений, ниобий, ванадий, рутений и др.) путем вакуумной электроннолучевой зонной плавки, а несколько позже — монокристаллы редкоземельных металлов (иттрия, скандия, гадолиния и др.) путем вакуумной дистилляции и рекристаллизации предварительно деформированных поликристаллических образцов.

К настоящему времени разработаны методы выращивания монокристаллов практически для всех металлов и многих сплавов, в том числе и для самого тугоплавкого металла — вольфрама. Самое главное, что новые свойства у многих «старых» металлов, таких, как железо, никель, молибден, вольфрам, были обнаружены именно в монокристаллическом состоянии. Оказалось, что чистые монокристаллы металлов и сплавов обладают рядом уникальных физических свойств, которые отсутствуют у них в поликристаллическом состоянии при технической чистоте.

Монокристаллы железа, молибдена, вольфрама (а также окиси алюминия и магния) в состоянии высокой чистоты теряют хрупкость, присущую техническим поликристаллическим металлам, и приобретают высокую пластичность вплоть до гелиевых температур. Исследования механических свойств монокристаллов меди и латуни показали, что у них отсутствуют типичные для металлов технической чистоты зоны тепловой хрупкости в районе 300— 700° С.