металлофизика

МЕТАЛЛОФИЗИКА - раздел физики, в к-ром изучаются структура и свойства металлов и сплавов, взаимосвязь между ними и природа процессов, протекающих в металлах и сплавах. В отличие от физики металлов, где исследуются электронная структура металлов (электронный спектр) и связь её с электрич. магн. и оптич. свойствами (см. Металлы ),M. в основном занимается анализом кристаллич. структуры и связи её с решёточными (упругими, тепловыми, механическими) свойствами металлов и сплавов.

Центр, проблемой M. является изучение атомной структуры металлов и сплавов и её эволюции при изменении темп-ры, давления, магн. поля и др. Теория позволяет лишь в простейших случаях рассчитать характер кристаллич. структуры исходя из электронного строения атомов, и практически вся информация о кристаллич. решётках получена экспериментально (дифракция рентг. лучей, электронов, нейтронов, электронная микроскопия высокого разрешения, мёссбауэровская спектроскопия).

Кристаллич. структура чистых металлов характеризуется небольшим числом плотноупакованных решёток: объёмно центрированной кубической (ОЦК), гранецент-рированной кубической (ГЦК), гексагональной плотной упаковкой (ГПУ). Более сложные кристаллич. решётки присущи нек-рым лантаноидам и актиноидам (Sn, Ga, In, Mn и др.). Для большинства чистых металлов при изменении темп-ры (T)или давления (р)наблюдаются полиморфные (аллотропич.) превращения. Для нек-рых ферро- и антиферромагн. металлов превращения с изменением кристаллич. структуры наблюдаются и под воздействием магн. поля. Все полиморфные превращения являются фазовыми переходами 1-го рода и сопровождаются резким изменением большинства физ. свойств (см. Полиморфизм).

Металлич. сплавы представляют собой либо твёрдые растворы, когда атомы металла-растворителя и растворённого элемента образуют общую кристаллич. решётку, совпадающую с решёткой растворителя, либо т. н. интерметаллич. соединения, кристаллич. структура к-рых отличается от структуры чистых компонентов. Атомная структура сплавов определяется в основном соотношением размеров атомов компонентов и их электронным строением. Общим термодинамич. условием образования сплавов является минимум свободной энергии; этому условию могут соответствовать как монофазные, так и гетерофазные структуры. Обобщением данных о состоянии системы в зависимости от её состава, T (иногда и р) служат фазовые диаграммы (диаграммы состояния). Фазовые диаграммы металлич. систем могут быть рассчитаны лишь в простейших случаях; для экспериментального их построения используют разл. методы физ--хим. анализа.

В зависимости от соотношения размеров атомов в сплавах могут образовываться твёрдые растворы замещения (атомы растворённого металла замещают в кристаллич. решётке атомы растворителя) и внедрения (атомы растворённого элемента располагаются в межатомных промежутках решётки растворителя). На базе интерметаллич. соединений могут образовываться твёрдые растворы (дефектные по одному из компонентов). Мин. значению свободной энергии твёрдых растворов соответствует упорядоченное расположение атомов разного сорта (сверхструктура). Разрушение сверхструктур при высоких темп-pax сопровождается появлением аномалий ряда физ. свойств; превращение порядок-беспорядок в зависимости от состава сплава может быть фазовым переходом 1-го либо 2-го рода.

Интерметаллич. соединения условно подразделяют на электронные соединения, фазы внедрения, фазы с простыми стехиометрич. соотношениями, соединения с нормальной валентностью и др. Для электронных соединений характерно наличие почти пост, отношения числа валентных электронов к числу атомов (³/₂, ²¹/₁₃ и ⁷/₄ соответственно для b-, g- и e-фаз). Фазы внедрения могут образовываться при определённых соотношениях атомных радиусов металлов и неметаллов. Простые стехиометрич. соотношения AB₂, AB, AB₅, A₃B присущи фазам Лавеса и родственным им соединениям (см. Интерметаллические соединения).

Кинетич. аспекты проблемы фазовых равновесий в сплавах изучает теория фазовых превращений, рассматривающая процессы зарождения и роста фаз при изменении T, р, состава и т. п. В процессах превращений в сплавах существ, роль играют поля упругих напряжений и ограниченная диффузионная подвижность атомов. Наличие этих факторов обеспечивает, в частности, возможность протекания мартенситных превращений, заключающихся в реализации сдвиговых деформаций и небольших искажений кристаллич. решёток.

Макроскопич. структура реальных металлов (дефекты и примеси) и сплавов характеризует степень их отклонения от идеальной периодичности кристаллич. решётки. Спектр дефектов решёток металлов и сплавов включает вакансии, дислокации, межвёренные границы, поры, включения, трещины и т. п. Дислокац. представления являются основой теории прочности и пластичности; с генерацией и эволюцией точечных дефектов - вакансий и внедрённых атомов - связано изменение свойств металлов и сплавов при облучении (см. Радиационные дефекты). Многие электрич., магн., упругие и др. свойства металлов и сплавов существенно зависят от их реальной макроскопич. структуры.

В M. изучаются аморфные металлы и сплавы, тонкие металлич. плёнки, квазиодномерные кристаллы (см. Квазиодномерные соединения), модулиров. структуры и др. термодинамич. неравновесные системы.

Лит.: Успехи физики металлов. Сб. ст., пер. с англ., т. 1-5, 9-10a, M., 1956-65; Физическое металловедение, под ред. P. Кана, пер. с англ., в. 1-3, M., 1967-68; Шульце Г., Металлофизика, пер. с нем., M., 1971; Пирсон У., Кристаллохимия и физика металлов и сплавов, пер. с англ., ч. 1-2, M., 1977; Уманский Я. С., Скаков Ю. А., Физика металлов, M., 1978; Баррет Ч. С., Mассальский T. Б., Структура металлов, пер. с англ., ч. 1-2, M., 1984; Физическое материаловедение в СССР. История, современное состояние, перспективы развития, К., 1986. В. А. Финкелъ.

   <<      Предметный указатель      >>