Физика металлов - это наука, которая отвечает на вопросы: какая структура кристаллических твердых тел, из каких мельчайших частиц они состоят, какие процессы в них происходят, стареет ли материал со временем и, самое главное, - через какие испытания необходимо пройти металлу (огонь, вода, удар, сжатие…) для того, чтобы стать надежным союзником человеку и прослужить долгие годы.
Бесформенный слиток металла и ограненный осколок соли - это тела неживой природы. Они не дышат, не размножаются, им чужды чувства и неизвестны запахи. И все-таки в них есть нечто от жизни: им свойственно движение, они изменяются. За кажущимся холодным покоем кристаллов скрывается активное движение атомов, многообразное и непрекращающееся. Формы этого движения, конечно, гораздо проще тех, которые наблюдаются в биологических объектах. В основном это различные механические движения - колебания, вращения, хаотические поступательные перемещения атомов, образующих кристалл. Люди, посвящающие свою жизнь кристаллу, часто воспринимают его живым. Во всяком случае, говорят о нем, как о живом существе. Послушайте разговор двух металловедов. Они говорят об усталости металлического кристалла, о его старении, способности отдыхать, издавать звуки, видимо, выражая недовольство тяжестью приложенной нагрузки. Или еще: послушайте разговор геологов. Они говорят о памяти минерала, о его способности разумно приспосабливаться к внешним условиям. Или разговор тех, кто в лаборатории или цехе искусственно создает кристаллы. Их кристаллы растут, захватывают примеси, передают нечто по наследству. Реальный кристалл заселен множеством различных дефектов. Хорошо ли это, плохо ли - об этом разговор впереди. Здесь же уместно сказать о том, что дефекты как бы оживляют кристалл. Благодаря наличию дефектов кристалл обнаруживает "память" о событиях, "участником" которых он когда-то был, дефекты помогают кристаллу "приспосабливаться" к окружающей его среде, определяют его "чувствительность" по отношению к внешним воздействиям.
Работая над очерками книги "Живой кристалл" Яков Евсеевич Гегузин обращает внимание читателя на конфликтные ситуации, которые в развивающейся науке непременно возникают между теорией и экспериментом: "Речь идет не о противоречиях между заведомо ошибочным экспериментом и теорией или о несоответствиях между очевидно нелепой теорией и экспериментом. Такие ситуации скорее следует относить к разряду скандальных историй, а не к тем истинным, плодотворным противоречиям, которые непременно и сопутствуют настоящей науке, и способствуют ее развитию.
Взаимодействие между экспериментатором и теоретиком часто несет на себе отпечаток конфликта. Одну из форм взаимоотношений между экспериментатором и теоретиком великолепно изобразил художник С. Тюнин. На его рисунке … для пущей ясности написаны два слова; эксперимент и теория.
Один физик-теоретик, посмотрев на расположение этих слов на рисунке, улыбаясь, спросил, не допускаю ли я обоснованность их обратного расположения, так, чтобы ножницы оказались в руках теоретика. Пожалуй, допускаю, точнее, должен допустить.

Итак, конфликт.
Не антагонистический, но конфликт. Теоретик предсказал - экспериментатор убедился в том, что теоретик прав лишь частично, что теория нуждается в уточнении, что те упрощения реальной картины, которые предположил теоретик, строя теорию, заметно искажают явление. Или так: теоретик расчетом показал, что экспериментатор ищет явление не в тех условиях, где оно отчетливо может наблюдаться. История исследований "живого кристалла" полна примеров таких противоречий между теоретиком и экспериментатором".

На начало

Для того, чтобы понять как происходит движение атомов в кристаллах, необходимо вспомнить, чем твердое тело отличается от жидкости или газа?
Для кристалла характерно упорядоченное расположение атомов в строго определенных позициях (узлах), составляющих кристаллическую решетку. Получить доказательство правильного внутреннего строения кристаллов удалось в 1912 г., когда немецкий физик-теоретик М. Лауэ разработал теорию прохождения рентгеновских лучей через кристалл и предложил использовать кристалл как дифракционную решетку для рентгеновских лучей. В том же году теория получила экспериментальное подтверждение в опытах В. Фридриха и П. Книппинга. Знаменитый эксперимент по дифракции рентгеновских лучей на кристалле заключался в следующем. Узкий пучок рентгеновских лучей был направлен на кристалл сернокислой меди, за которым поместили фотопластинку. Помимо центрального черного пятна от пучка, прошедшего через кристалл, на пластинке получилось множество расположенных в строгом порядке черных точек от лучей, которые при прохождении через кристалл отклонились от центрального пучка под разными углами. Такие изображения впоследствии стали называть лауэграммами. Строгий порядок в дифракционной картине как раз обусловлен периодическим расположением атомов в решетке кристалла (рис.1). Таким образом, было доказано, что кристалл-это трехмерная периодическая решетка, расстояния между узлами которой по порядку величины близки к длине волны рентгеновского

излучения. За открытие дифракции рентгеновских лучей Лауэ в 1914 г. был удостоен Нобелевской премии по физике.

Рис.1. Лауэграммы разных кристаллических веществ. Мы можем получить "скелет" кристалла так же, как делаем рентгеновский снимок в поликлиннике. На кафедре физики металлов вы прослушаете курс рентгенографии и сможете "заглянуть в душу" любого металла.

Итак, кристаллическая решетка построена из повторяющихся "кирпичиков". Такой самый малый повторяющийся элемент решетки называют элементарной ячейкой. На рис. 2 схематически изображена кристаллическая решетка материала, полученного в 1988 г. и обладающего сверхпроводящими свойствами. Таким образом, кристалл - это повторяющаяся совокупность элементарных ячеек. И сколько бы мы, если бы могли, ни "гуляли" по кристаллу, в любом месте все устроено совершенно одинаково.
Поэтому основным видом тепловых движений, которые могут совершать атомы в твердых телах, являются малые колебания около положения равновесия - узла решетки. Амплитуда этих колебаний много меньше расстояния между узлами. Никаких "пробегов", больших по сравнению с межатомным расстоянием, атомы не совершают - им и так тесно, и соседи не позволяют вести такую вольготную жизнь.
Однако если бы атом только колебался, у него не было бы никаких шансов попасть в соседний узел. Примерно как у человека, постоянно ездящего из Киева в Ленинград и обратно, нет шансов попасть во Владивосток.
Тем не менее, и в кристаллах атомы совершают случайные блуждания. Внутри твердого металла, который кажется нам застывшим и неизменным, происходит множество разнообразных процессов, разыгрываются микрокомедии и микродрамы. Наблюдая металлы под микроскопом, мы замечаем, что перемещение атомов приводит к изменению строения металлов, к возникновению одних и исчезновению других дефектов, к росту пор и трещин или их залечива-нию. Все эти процессы делают металл более прочным и жизнеспособным или, наоборот, приводят его к разрушению и гибели.

На начало

На начало

Для того, чтобы понять почему атомы перемешиваются и как им удается это сделать в кристалле, где тесно, где каждый атом находится на определенном месте - в узле кристаллической решетки, где господствует порядок и переходить с места на место очень трудно, необходимо рассказать об удивительной судьбе вакансий - пустых, не занятых атомами узлов решетки, - и о том, какую выдающуюся роль они играют в процессах диффузии.

Рис. 3. Вакансии (а) и межузелъный; атом (б) - точечные дефекты в кристаллической решетке. Пунктиром обозначены искаженные области решетки.

При повышении температуры, когда в "оживающем" кристалле колебания атомов вокруг положения равновесия становятся более энергичными, в нем могут происходить удивительные события: в кристалле появляются узлы, где нет атомов, и атомы, которые расположены не в узлах. Узлы, свободные от атомов, называются "дырками", или "вакансиями", а атомы, которые находятся не в узлах, называются "межузельными атомами".
Вакансии и межузельные атомы искажают вокруг себя решетку на расстоянии, много большем, чем расстояние между соседними узлами. На рис. 3 это обстоятельство изображено схематически. Тип порядка в расположении атомов, или, как говорят, тип кристаллической структуры, остается тем же, а порядок становится менее совершенным. В порядке возникают элементы беспорядка. Происходит это вот почему: так как соседние атомы в кристалле колеблются не строго согласованно, может оказаться, что вследствие случайного стечения обстоятельств один из них получит от соседей энергию, которой будет достаточно для того, чтобы, порвав с ними связи, выскочить из их окружения, оставив один из узлов "вакантным". Об этом процессе физики говорят так: имела место энергетическая флуктуация, достаточная для того, чтобы атом покинул узел. Описанный процесс подобен испарению атомов с поверхности кристалла с тем, однако, важным отличием, что, испарившись с поверхности, атом уходит в пространство, окружающее кристалл, а покинув внутренний узел решетки, атом "испаряется" в свободное, "межузельное" пространство в кристалле. Таким образом возникают "вакансия" и "межузельный атом".

На начало

Теперь подуем, что происходит в кристалле, когда появляются вакансии. Для простоты рассмотрим жизненную аналогию. Вот два способа рассказать о том, что может произойти в партере, когда потухнет свет в зале, если крайнее место первого ряда окажется свободным. Способ первый. Зритель, сидящий во втором ряду, за свободным креслом пересядет в первый ряд, оставив свое кресло пустым. Зритель, сидящий в третьем ряду, пересядет в освободившееся кресло второго ряда, освободив при этом свое кресло. Зритель, сидящий в кресле четвертого ряда, пересядет в освободившееся кресло третьего ряда, освободив при этом свое кресло. Далее надо рассказать о том, как будут себя вести зрители пятого, шестого, седьмого и следующих рядов. В конце рассказа следует обратить внимание на то, что зритель из последнего ряда пересядет в освободившееся кресло в предпоследнем ряду, освободив кресло в последнем ряду. Главный герой этого рассказа - зритель. Мы все время следим за его поведением. И хотя зритель безлик, в последовательном повествовании должны быть упомянуты зрители всех рядов - от второго до последнего. Способ второй. Пустое кресло переместилось из первого ряда в последний. Вторым способом описано то же событие, что и первым. При этом краткость описания достигнута благодаря тому, что неодушевленному креслу присвоена способность перемещаться. Конечно же, перемещались зрители, а не пустое кресло, но оказалось удобнее (не более того!) описать сложное событие, прибегнув к образу движущегося кресла. Диффузионное блуждание атомов с помощью так называемого "вакансионного механизма" - в случае "бесцельного" и в случае целенаправленного блужданий - происходит следующим образом. Если в непосредственном соседстве окажутся атом и вакансия, то при необходимой флуктуации энергии атом сможет перескочить в соседнюю вакансию. В результате этого акта соседство не нарушится, произойдет лишь обмен местами между реальным атомом и "атомом пустоты". Соседство нарушится тогда, когда какой-нибудь другой атом из числа окружающих вакансию поменяется с ней позициями. В последовательности актов обмена позициями между атомами и вакансиями вакансия будет удаляться от атома, с которым вначале была в соседстве, а атом сможет сделать очередной шаг лишь после того, как рядом с ним окажется другая вакансия. Два рассказа о событии в партере, где одно кресло оказалось свободным, свидетельствуют о том, что описание сложных судеб множества атомов можно заменить описанием движения вакансий. Это во многих случаях оказывается удобным и полезным. Итак, блуждание атомов по кристаллу происходит за счет пустых мест в решетке, которые появляются при нагреве. Чем выше температура такого нагрева, тем быстрее движутся атомы и интенсивнее происходит диффузия.

На начало

Речь идет вот о чем. При высокой температуре в кристаллической решетке концентрация вакансий - "атомов пустоты" - велика. Впрочем, лучше выразиться точнее: "велика" - значит всего около сотой процента позиций в решетке вакантны. Если температуру понижать, то и концентрация вакансий должна понизиться. Важно, с какой скоростью будет происходить понижение температуры и уменьшение концентрации вакансий. Если температуру понижать медленно, вопрос не возникает; концентрация вакансий будет в точности соответствовать равновесной при данной температуре образца.
В принципе мыслимо (видимо, так рассуждал Я. И. Френкель) понижать температуру с такой скоростью, что вакансии, которые при понижении температуры оказываются лишними и которым надлежит как-то уходить из кристаллической решетки, не будут успевать это делать.
У вакансий есть много способов исчезнуть, уйти из кристаллической решетки. Не будем их обсуждать, нам вполне достаточно знать, что как-то вакансии могут уйти. А при низких температурах, когда диффузионная подвижность вакансий пренебрежимо мала, они практически вообще этого делать не будут. Это значит, что вакансии, т. е. атомы пустоты, окажутся замороженными. Именно это и имеется в виду, когда говорят "замороженная пустота". Так можно заморозить песчинки в быстро охлаждаемой воде, в которой взмучен песок. Если бы вода остывала медленно, песок успел бы осесть на дно.
Замороженные вакансии должны увеличить омическое сопротивление металлического кристалла на некоторую величину R. Так как каждая из них является центром, рассеивающим электроны, то R ~ cv = e-Uv/kT. Измеряя сопротивление в образцах, закаленных от разных температур, т. е. прирост сопротивления, можно получить сведения об энергии образования и равновесной концентрации вакансий при этих температурах. Заманчиво!
Логика теоретика как будто внутренне непротиворечива, "пустоту заморозить" можно. В этом, однако, очень многие сомневались и тогда, когда идея жила как таковая, и даже тогда, когда появились результаты первых опытов, свидетельствовавшие о ее состоятельности.
Возражавшие против принципиальной возможности "заморозить пустоту" говорили, что, как бы скоро экспериментатор ни охлаждал образец (а делать это с бесконечной скоростью он принципиально не может), вакансии все равно будут успевать уходить из решетки. Куда? Куда-нибудь, где найдется для них пристанище: в пору, в трещину, в дислокацию, на поверхность образца. Именно куда-нибудь, только бы не оставаться в растворе, где она лишняя, "избыточная". Не закалится! Уйдет!
Опыты по закалке вакансий были поставлены очень просто. Предварительно тщательно отожженные током проволочки металлов - золото, платина и др.- помещали в ванну с холодной жидкостью, током нагревали проволочку до определенной температуры, после чего выключали ток. Проволочка с большой скоростью охлаждалась. О том, что в ней сохранились замороженные вакансии, судили на основании измерения омического сопротивления. Оно оказывалось тем более высоким, чем до более высокой температуры была током нагрета проволочка, т. е. чем большее число вакансий было заморожено.
Такие опыты были поставлены в нескольких лабораториях мира, и результат опытов оказался одним и тем же, никак не зависящим от географического положения лаборатории: пустота везде замораживалась.

Рис.12. Зависимость прироста омического сопротивления металлической проволоки от температуры, начиная с которой производилась закалка. С увеличением скорости охлаждения образца вакансии успевают "закаливаться" при более высокой температуре (v₁ < v₂ < v₃ < v₄ )

На начало

Что произойдет при экстремальном воздействии на металл - практически мгновенном (доли секунды) нагреве до температуры плавления? Назовем его "термоударом" и происходит он, например, при воздействии лазерного излучения. Оказывается, пучок света, созданный лазером, может использоваться для термической обработки металлов и сплавов. При этом скорость движения атомов становится настолько большой, что структура и свойства обработанного материала полностью изменяются. Для примера на рисунках показано как изменяется структура гладкой и блестящей поверхности пленки никеля при воздействии лазерного луча.

На начало

Возможность повлиять на направленность и скорость диффузии широко используется в современной технике. В этом одна из основных причин большого интереса к проблеме диффузии со стороны и ученых, и инженеров.
Диффузия связана, с одной стороны, со многими фундаментальными физическими законами и понятиями, с другой-со многими сложными процессами, протекающими в металлических сплавах и определяющими их строение и свойства. Теория диффузии переплетается с наукой о материалах и с практическим материаловедением, с применением материалов в технике и быту. Как всякая наука, теория диффузии-это еще и проблема познания человеком окружающего мира, это-люди, их мысли, поиски и находки, победы и поражения, их стремление к истине.
Мы часто говорим "железный" в смысле очень твердый, способный сопротивляться разным испытаниям, - "железный" человек, "железная" клятва, "железная" воля. А между тем, железо-не очень твердый металл. Если, например, сделать из железа шестерню и поставить ее в коробку передач автомобиля, то автомобиль далеко не уедет. После нескольких сотен переключений шестерня выйдет из строя. Если ее вынуть, то мы увидим, что зубья совершенно смяты.
Обычно, чтобы сделать железо более прочным, в него вводят углерод и получают сталь - сплав железа с углеродом. Самые большие мосты сооружены из конструкционной стали, в которой содержится до 0,2% углерода. Углерод делает сталь прочной, но не износостойкой. Если сделать из такой стали шестерню, то она проработает дольше, чем железная, но сто тысяч километров без ремонта с ней не проедешь.
Чтобы зубья шестерен хорошо сопротивлялись износу, мало ввести углерод в железо, но надо сделать это специальным образом, с помощью химико-термической обработки. Шестерню помещают в атмосферу метана, нагревают примерно до 900 °С и выдерживают несколько часов. Метан разлагается на углерод и водород, атомы углерода оседают на поверхности металла, а затем проникают внутрь. После этого металл резко охлаждают (закаливают), и на поверхности зубьев возникает довольно глубокий (до 1 мм), сильно науглероженный (около 0,8% углерода) и очень твердый слой. А тело шестерни и зубьев остается мягким (относительно, конечно). Такое сочетание-твердая с поверхности и мягкая внутри - позволяет шестерне успешно сопротивляться истиранию и ударам, иначе говоря, обеспечивает ей долгую жизнь.
Но почему углерод проникает внутрь стали? Что это - особенность углерода или общее свойство разных элементов? Как рассчитать, на какую глубину проникает углерод? От чего эта глубина зависит? На эти вопросы нам ответит физика металлов.

На начало

А если нас интересует рельеф поверхности металла? Оказывается, истинная структура поверхности кристаллов очень отличается от идеализированного представления о ней.
Поверхность реального кристалла - это совсем не плоская, идеально гладкая, безупречно чистая граница кристалла. В действительности на поверхности множество чужеродных атомов, которые адсорбировались из газовой фазы либо вышли на поверхность из твердой фазы. Рельеф реальной поверхности богат различными отклонениями от идеальной гладкости. Только при низких температурах поверхности, ограняющие кристалл, могут быть гладкими. При высоких температурах эти поверхности покрываются системой одно- или многоатомных ступеней и изломов на них. Так ведут себя поверхности кристалла, которыми он огранен, в случае равновесной формы. В отношении гладкости это лучшие поверхности. А на поверхностях произвольного сечения кристалла кроме неровностей на атомном уровне возникают еще и макроскопические ступени "естественной" шероховатости. Появляются они потому, что не появиться не могут, поскольку с ростом температуры степень беспорядка в кристалле должна возрастать. В объеме кристалла этих беспорядок проявляется в образовании вакансий и межузельных атомов, а на поверхности - в образовании атомного рельефа. Он возникает вследствие того, что отдельные атомы, устилавшие гладкую поверхность, при низкой температуре перескакивают на поверхность.
Изучить рельеф поверхности кристалла мы можем с помощью сканирующего атомного силового микроскопа (Нобелевскаяя премия за 1992 год).