Анизотропность

Металлические тела состоят из бесчисленного множества кристаллов. Кристаллы могут ориентироваться в металле либо правильно, либо неправильно. При правильной ориентировке одинаковые кристаллографические плоскости совпадают, при неправильной — не совпадают. Чаще всего ориентировка кристаллов бывает неправильная. Поэтому свойства металлов получаются в среднем одинаковые во всех направлениях плоскостей тела. Такие тела называются квазизотропными. Квазизотропность и анизотропность можно создать различными воздействиями: термическими, механическими и другими.

Например, медь в результате соответствующей термообработки получает предел прочности по всем направлениям плоскостей кристаллической решетки, равный 22 кГ/мм2, и относительное удлинение 45%. Сравните эти данные с приведенными ранее для монокристалла меди.

Путем механических воздействий в изделиях получается правильная ориентировка кристаллов, поэтому при холодной прокатке листовой стали возникают различные механические свойства вдоль и поперек листа.

Анизотропность имеет большое практическое значение. При глубокой штамповке изделий (например, гильз, цилиндрических стаканов), если кристаллы в заготовке ориентированы неправильно, вытяжка во все стороны будет одинакова, брака не получится. При штамповке из заготовки с правильной ориентировкой кристаллов вследствие неодинаковой вытяжки во все стороны по краям стаканов (патронов) получаются неровности (уши), называемые фестонами. Это приводит к массовому браку. Соответствующей термообработкой добиваются неправильной ориентировки кристаллов, предупреждая этим брак.

Анизотропностью пользуются для изменения электрических свойств стали. Холодной прокаткой добиваются высоких магнитных и электрических свойств в определенном направлении, благодаря чему достигают значительного снижения потерь в трансформаторной стали. Путем создания анизотропии можно добиться и увеличения упругости в определенном направлении.

Строение реальных кристаллов. Исследованиями структур кристаллов доказано, что указанные выше кристаллические решетки являются идеальными кристаллами. Реальные кристаллы имеют значительные отклонения в строении решетки. Причины, вызывающие искажение кристаллической решетки, различны: температурные условия, при которых образуются кристаллы (нагрев и скорость охлаждения, условия охлаждения), напряжения в металле, вызываемые механическими воздействиями. При этом происходят смещения атомов в кристалле, называемые дислокациями, образуется решетка с узлами, не заполненными атомами. Эти дефекты в кристаллической решетке приводят к резкому ухудшению свойств металлов, особенно механических, благодаря чему область применения многих металлов в современной технике резко ограничена.

Развитием науки о физике твердого тела доказано, что можно резко улучшить механические свойства металлов и создать сверхпрочные металлы, в десятки раз превосходящие по прочности существующие, путем создания бездефектного, т. е. бездислокационного, металла. Учеными получены такие идеальные кристаллы — нитевидные, называемые «усами». Они имеют в поперечнике 2—4 мк и в длину 10—15 мк и обладают прочностью, близкой к прочности идеальных кристаллов. Так, например, получены кристаллы железа, которые имеют прочность в 50—60 раз больше реальных, а также кристаллы меди, имеющие прочность выше реальных в 15—16 раз.

Другой путь создания сверхпрочных металлических сплавов— это путь их легирования и термической обработки.