Бобылев А.В. Механические и технологические свойства металлов. Справочник

Подождите немного. Документ загружается.

Однако установить

строгую

зависимость прочности от температуры

плавления затруднительно, так как прочность существенно зависит от

чистоты металла (оказывают большое влияние

даже

очень малые ко-

личества примесей). Так, например, временное сопротивление техниче-

ского титана равно 460 МПа, а иодидного 250 МПа; зонная очистка

иодидного циркония понижает а

с 250 до 110 МПа, а Оо,2—до 30 МПа;

при

повышении чистоты алюминия с

99,996

до

99,9998

% а„ снижается

со 130 до 50 МПа. Влияние очень малого содержания примесей видно

на

примере тщательной очистки железа от

углерода

и азота (менее

10~

%); у такого сверхчистого железа а„=50 и а

,2=2О МПа, что в

6 раз меньше аналогичных значений у

«чистого»

железа.

В технической литературе приведено очень мало данных о свойст-

вах металлов высокой чистоты; более того, свойства многих металлов

определены при содержании примесей в тысячных, сотых долях про-

цента и

даже

при наличии нескольких процентов; часто определяют

свойства металлов, имеющих дефекты: трещины,

усадочную

рыхлость

пр.; не учитывают влияние окружающей среды и т. д.

Кроме

того, временное сопротивление является очень условной

характеристикой прочности металла, поскольку разрывное усилие де-

лится на первоначальную площадь сечения образца, а не на конечную.

Правильнее сравнивать металлы по истинному сопротивлению разрыву

, однако

такую

характеристику не

всегда

определяют.

Проще

определять зависимость пластичности от внешних (условий

деформирования) и внутренних (природных) факторов.

Внешние

факторы:

температура испытания, скорость деформации,

окружающая среда,

схема

воздействия сил, масштабный эффект.

Внутренние

факторы:

масса атома, электронное строение, электро-

отрицательность, размеры атома, кристаллическая

структура,

тип свя-

зи,

энергия дефектов упаковки, теплопроводность, температура плав-

ления,

примеси.

Температура

испытания.

С ростом температуры пластичность

всех

металлов повышается (прочность понижается);

даже

такие нетипичные

металлы (полуметаллы), как сурьма (выше

300°С)

и висмут (выше

100

С), пластичны. Вблизи точки плавления пластичны типичные не-

металлы, например кремний, германий, сера и

даже

алмаз. Природная

пластичность чистых металлов при низких температурах меньше, но

она

достаточна для обработки их давлением. У чистых металлов нет

температурных зон хрупкости, горячеломкости, хладноломкости.

Скорость

деформации.

Повышение скорости деформации приводит

некоторому понижению пластичности и увеличению прочности. На-

блюдающееся иногда понижение пластичности при снижении скорости

деформации связано с более длительным воздействием внешней среды.

Оказывает влияние также тепло, выделяющееся при деформации, осо-

бенно

при большой скорости, когда разогрев достигает 100 °С и более.

Окружающая

среда.

Не только основные компоненты атмосферного

воздуха

— кислород и азот, но и примеси влаги, сернистого газа и др.

влияют на свойства металлов при испытании, изготовлении и эксплуа-

тации;

исследования в инертных

газах

вакууме

также

могут

оказать

влияние

на получаемые результаты. Это наблюдается не только при

высокотемпературных испытаниях, но и при обычной температуре, если

имеет место длительное воздействие окружающей среды.

Чистый пластичный хром становится хрупким после нескольких

суток хранения в воздушной атмосфере при 20 °С; диффузия примесей

внедрения происходит преимущественно по границам кристаллитов.

Закалка

даже

с относительно низкой температуры выравнивает кон-

центрацию примесей, уменьшая сегрегацию, что

свидетельствует

о не

столь жестком закреплении их в решетке металла.

101

При

высоких температурах происходят химические реакции между

окружающей средой и металлом преимущественно по границам зерен

или по другим местам концентрации примесей или легирующих элемен-

тов. Например, взаимодействие кислорода

воздуха

с серой, находящей-

ся

на границах кристаллитов меди или никеля. Растяжение меди в сре-

де, содержащей водород, также приводит к хрупкости вследствие

реакции

его с межкристаллитной примесью серы или кислорода. Охруп-

чивание может произойти при воздействии вакуума и растягивающих

напряжений

на металл, имеющий летучие межкристаллитные примеси.

Ухудшение механических свойств под воздействием внешней среды

установлено даже у благородных металлов, например у палладия, при

высокотемпературном испытании в атмосфере

воздуха.

Защитные по-

крытия

улучшают

пластичность, например, родия при покрытии пла-

тиной.

Внешняя

среда оказывает влияние и при незначительном содержа-

нии

активных веществ в окружающей атмосфере, нейтральных газах

или

в некачественном вакууме (более К)-

Па или при плохой герме-

тичности).

Как правило, использование вакуума предпочтительнее, чем

нейтральных газов, так как даже в высокочистом инертном газе во

много раз больше примесей, чем в хорошем вакууме.

Некоторые металлы (например, молибден) нуждаются в очень вы-

сокой

очистке от примесей, так как отрицательное влияние последних

обнаружено даже при остаточном давлении 10~

Па, т.е. при умень-

шении

атмосферного давления в миллиард раз. Важна не величина-ос-

таточного давления, а концентрация активной примеси.

Необходимо учитывать возможность воздействия внешней среды и

том случае, если активным элемент данной среды реагирует не с ис-

следуемым металлом, а с межкристаллитными примесями (например,

азот с нитридообразующими примесями никеля).

Схема

воздействия

сил

(«напряженное

состояние»).

Пластичность,

а точнее — деформируемость металлического тела, зависит от величины

направления действия деформирующих сил. Существует девять схем

действия: 1) одноосное растяжение; 2) одноосное сжатие; 3) двухосное

растяжение; 4) двухосное сжатие; 5) растяжение и сжатие; 6) трехос-

ное

растяжение; 7) трехосное сжатие; 8) двухосное растяжение и сжа-

тие; 9) двухосное сжатие и растяжение.

Схема № 6 наиболее

«жестка»

для деформации: она, в частности,

существует в шейке растягиваемого образца; более благоприятная при

волочении схема № 9.

При

всестороннем сжатии можно деформировать любые материа-

лы,

включая мрамор.

Более «мягкие» схемы широко используют в промышленности, на-

пример,

при замене прокатки выдавливанием через матрицу или при

обработке давлением металла, заключенного в оболочку.

Высказывания отдельных ученых [51] о возможности разрушения

пластичных металлов при всестороннем сжатии ошибочны.

Деформируемость металлических тел зависит от величины и знака

напряжений

и их концентрации у надрезов, трещин, границ зерен.

Масштабный

эффект.

Деформируемость образца, слитка, полуфаб-

риката, изделия зависит от их размеров.

Слитки

крупного размера обычно имеют более

грубую

структуру,

деформация их нередко приводит к неравномерной проработке метал-

ла, создаются более высокие внутренние напряжения; увеличивается

вероятность появления слабых участков и неоднородностей.

Образцы малого сечения (диаметром до 2 мм)

могут

иметь по-

ниженные

механические свойства вследствие воздействия внешней среды

(особенно

при повышенных температурах и малой скорости растяжения)

192

при крупнозернистом материале. Этим можно объяснить высокотем-

пературную хрупкость проволоки диаметром 0,7 мм из меди чистотой

99,999

Очень низкие механические свойства имеет проволока с так назы-

ваемой

«бамбуковой»

структурой, когда размер зерна равен диаметру

проволоки и границы зерен перпендикулярны оси проволоки.

Высокой прочностью ((Т

= 20 ГПа) обладают

«усы»

— искусственно

получаемые тонкие нити диаметром несколько микрометров.

Масса

атома.

Важнейшим внутренним природным фактором явля-

ется масса атома, сосредоточенная главным образом в ядре в совокуп-

ности его протонов и нейтронов. Положительный заряд ядра определя-

ется числом протонов, которые в свою очередь, определяют число элек-

тронов.

Различнее число нейтронов в атоме обусловливает изотопный

состав. Физические свойства изотопов одного и того же металла зави-

сят от числа нейтронов, что особенно заметно у легких атомов. Разли-

чие сохраняется и при наличии в атоме большого числа протонов и ней-

тронов (например, уран с атомной массой 238 и 235). На некотором

различии физических свойств газообразного гексафторида урана осно-

вано обогащение последним. Структура ядра определяет радиоактив-

ность металла.

Влияние изотопного состава на свойства обычных металлов не ис-

следовано. Можно, однако, предполагать, что на механические и техно-

логические свойства большинства металлов оно не

будет

значительным.

Электронное

строение.

Заряд ядра и число электронов, нейтрализу-

ющих его, играют основную роль в организации структуры кристалли-

ческой решетки и большинства свойств металла. Свойства

всех

элемен-

тов являются периодической функцией атомной массы, т. е. числа элек-

тронов.

В таблице Д. И. Менделеева наиболее типичные металлы, срав-

нительно легко отдающие электрон, — щелочные — находятся слева в

группе, а наиболее типичные неметаллы, энергично присоединяющие

электрон

для достройки электронной оболочки, — галогены —• находят-

ся

справа в VII группе. «Металличность» элементов возрастает при пе-

ремещении влево и вниз таблицы. Вблизи правого верхнего

угла

нахо-

дятся

«полуметаллы»:

мышьяк, селен, германий, сурьма, висмут. Исхо-

дя из этого, можно полагать, что все тяжелые элементы, начиная с

франция,

будут

обладать металлическими свойствами и хорошей плас-

тичностью. Важно не только число электронов в атоме, но и строение

их оболочек — конфигурация, определяющая кристаллическую

структу-

ру и большинство свойств металлов.

Электроотрицательность.

Отличительная особенность металлов •

способность отдавать электрон

другим

атомам, например неметаллам.

Она

характеризуется ионизационным потенциалом и электроотрицатель-

ностью (ЭО). Первая величина характеризует химическое взаимодей-

ствие металла, вторая — в некоторой мере и физическое поведение. На-

именьшие значения ЭО у щелочных металлов, минимум — у франция.

Наибольшие —у галогенов, максимум — у фтора. В общем имеется не-

которая связь

между

ЭО и пластичностью. Высокопластичные щелочные

металлы имеют ЭО

0,3—0,6,

у малопластичных сурьмы и висмута ЭО

равно

1,4—1,5.

Однако имеются исключения: низкие значения ЭО (0,6)

у стронция и бария не согласуются с недостаточной пластичностью этих

металлов; кобальт и никель имеют одинаковые значения ЭО (1.2), яо

пластичность их различна. Однако низкая пластичность стронция и ба-

рия

получена при испытании литых образцов, содержащих только 99—

99,9 % основного металла; кристаллические структуры кобальта и никеля

различны, чистота кобальта недостаточно высока.

Следует

отметить, что значения ЭО, по данным разных авторов,

существенно отличаются и не являются достаточно надежными. Более

193

тонными,

вероятно,

следует

считать данные автора работы [52], со-

гласно которым ЭО фтора 4, щелочных металлов

0,3—0,6,

щелочнозе-

мельных

0,6—0,7,

меди, серебра, золота

1,0—1,1,

металлов VA подгруп-

пы

1,1—1,2,

платиновых металлов

1,3—1,5,

сурьмы и висмута

1,4—1,5.

Размеры

атома.

Атомные радиус и объем наибольшие у щелочных

металлов; сурьма и висмут имеют меньшие радиусы. Однако практичес-

ки

одинаковые радиусы с последними двумя металлами имеет пластич-

ный

свинец. Иридий и платина при очень близких размерах значительно

отличаются по пластичности. В целом какой-либо закономерности не

наблюдается.

Кристаллическая

структура.

К настоящему времени эксперименталь-

но

доказана высокая пластичность (\|>=80-j-100 %) не только металлов

с г. ц. к. структурой (Си, Ag, Аи, Al, Pb, Ni, Pd, Pt, Yb, Th), но и ме-

таллов с о. ц. к. структурой (Li, Na, К, V, Nb, Та, Mo, Fe), с п. г. струк-

турой (Zn, Cd, Tl, Ti), тетрагональной (In, Sn), ромбической (Ga). Ис-

ключения обусловлены недостаточной чистотой металлов (до несколь-

ких процентов примесей), крупным зерном, воздействием внешней сре-

ды и ограниченным числом исследований. Лишь металлы с малосиммет-

ричными

кристаллическими решетками не обладают достаточной плас-

тичностью. Нет строгой зависимости низкой пластичности от малого

параметра решетки металлов. Крупнокристаллическая

структура

приво-

дит к уменьшению пластичности, но это происходит вследствие более

высокой

концентрации примесей по границам зерен из-за их меньшей

протяженности.

Тип

связи.

Вопрос о природе связи в металлах — основной в физи-

ческом металловедении. Примитивную модель об «электронном газе>

теперь используют редко.

Выдвинута гипотеза [1], по которой упрочнение металла при дефор-

мировании

обусловлено изменением характера связи: заменой металли-

ческой на атомную; последняя при отжиге снова переходит в металли-

ческую. Однако эта гипотеза не получила подтверждения.

Принято

различать три типа связи: металлическую, ковалентную и

ионную; полагают, что металлическая связь в отличие от

других

не на-

правлена; ковалентная (гомеополярная) связь направлена. Типичный

пример такой связи — молекула водорода. Это очень сильная связь,

поскольку при реакции: Hi-l-Hi = H

выделяется энергия 436 кДж/моль,

т. е.

даже

больше, чем при реакции: Н +

С1

= НС! (430 кДж/моль). В мо-

лекуле водорода два электрона с противоположными спинами сосед-

них атомов

образут

общую орбиталь.

Идею об образовании электронных пар используют и для объясне-

ния

ковалентной связи в металлах, хотя законченной теории к настояще-

му времени не создано [53]. Предложено оценивать относительное со-

держание ковалентной связи в металлах степенью локализации валент-

ных электронов (СЛВЭ) в процентах [54]. Полагают [8], что эта ве-

личина

повышается с увеличением температуры плавления металла: она

минимальна

у серебра, меди и золота (4—10 °/о) и максимальна у мо-

либдена, рения и вольфрама

(88—96

%). Постулируется, что при нагре-

вании

до

0,225

Тпл ковалентная связь заменяется металлической, а ни-

же этой температуры — металлы переходят в хрупкое состояние — воз-

никает

хладноломкость, так как пластичность возможна только при на-

личии

металлической связи, а не ковалентной или ионной [8].

Указанная гипотеза находится в противоречии с фактами:

1) подсчитанные по соотношению 7"

0,225

Т„л температуры не со-

ответствуют

фактическим температурам перехода к хрупкости загряз-

ненных

металлов: чистые металлы не имеют зон хрупкости;

2) медь, серебро и золото

даже

недостаточной чистоты не хладно-

ломки;

194

3) чистые ионные кристаллы хлористых серебра, натрия и др. пла-

стичны;

4) при нагревании до

100—200

°С сурьма и висмут становятся пла-

стичными,

хотя ковалентная связь у них сохраняется до температур их

плавления;

5) при высоких температурах становятся пластичными

даже

неме-

таллы, например сера, алмаз, а также оксиды неметаллов, например

кварц,

борный ангидрид;

6) предложенная гипотеза не объясняет причину понижения порога

хладноломкости металлов при переходе от поликристаллов к монокрис-

таллам;

7) нельзя считать металлическую связь ненаправленной, так как ме-

ханические и

другие

свойства монокристаллов металлов различны в за-

висимости от ориентировки;

8) значения СЛВЭ для одного металла у различных авторов [54,

8] и

даже

у одного автора [54] существенно отличаются;

9) отсутствие металлической связи, наличие ионной или ковалент-

ной

связи не служит препятствием для пластической деформации.

Энергия

дефектов

упаковки. Есть основания полагать, что эта ха-

рактеристика играет роль при деформировании металлов. Были пред-

положения

о связи низкой пластичности некоторых металлов с их вы-

сокой

энергией дефектов упаковки (ЭДУ). Однако имеющиеся данные

не

позволяют установить зависимость низкой пластичности металлов от

высокой

ЭДУ. Золото, алюминий, свинец имеют высокую пластичность

(100%), но ЭДУ их значительно отличаются: у золота

0,02—0,05,

а у

алюминия

0,2—0,3

Дж/м

. Гольмий и эрбий имеют одинаковую ЭДУ, но

их отличается в десятки раз. Значительные отличия величины ЭДУ

одного и того же металла, по данным различных авторов (у церия

0,005—0,080,

иттербия

0,01—0,13,

кальция

0,015—0,1,

титана 0,01—

0,2 Дж/м

), также препятствуют установлению какой-либо закономер-

ности.

Причиной

такого различия

могут

быть примеси, так как и при ма-

лом их содержании ЭДУ резко уменьшается; например, наличие

угле-

рода резко понижает ЭДУ молибдена, менее существенно — тантала

155]:

Содержание

углерода

в молиб-

дене, % 0 0,001 0,01 100

ЭДУ молибдена, Дж/м'ХЮ

. 300 200 80 0,1*

Содержание

углерода

в тантале

% ... . 0 0,01 0,1 100

ЭДУ

тантала,

Дж/м'ХЮ

. . 80 60 60 0,1*

• Значения для

графита.

Аналогичное влияние оказывает легирование металлами, причем по-

нижение

ЭДУ происходит при введении металла и с низкой ЭДУ, и с

высокой

ЭДУ [55]:

Содержание кобальта в сплаве

N1—Со,

% 0 20 40 60 100

ЭДУ сплава

Ni—Со,

Дж/м

Х10

150 100 20 10 26

Содержание тантала в сплаве

Мо—Та,

% 0 17 35 62 100

ЭДУ сплава Мо—Та, Дж/м

Х10

300 150 100 70 80

195

Продолжение

Содержание ниобия в сплаве

Mo-Nb,

% О 49 74 100

ЭДУ сплава Mo-Nb,

Дж/м

ХЮ

.......... 300 170 190 220

Содержание меди в сплаве

Ni-Cu,

% ° 21 42 100

ЭДУ сплава

Ni—Си,

Дж/м

ХЮ

150 100 30 30

Содержание родия в сплаве

Pt-Rh,

% 0 12 40 100

ЭДУ сплава Pt-Rh,

Дж/м

ХЮ

120 70 40 180

Легирование 24 % 1г с ЭДУ, равной 0,190 Дж/м

, понижает ЭДУ

платины с 0,120 до

0,070

Дж/м

и ЭДУ палладия с

0,090

до

0,050

Дж/м

Теплопроводность.

Хорошая тепло- и электропроводность, как и вы-

сокая

пластичность, являются отличительными свойствами металлов,

поэтому

между

этими свойствами возможно соответствие. Действитель-

но,

металлы, обладающие высокой проводимостью, — серебро, медь, зо-

лото, алюминий — имеют \|э=95-М00 %, а металлы с низкой проводи-

мостью — плутоний, висмут — хрупкие. Однако в этом примере основ-

ную роль играет существенное различие в структуре: у первых четырех

металлов — кубическая гранецентрированная, у последних

двух

— не-

благоприятные для деформации решетки (у плутония моноклинная, у

висмута ромбоэдрическая).

При

сопоставлении металлов с одинаковой структурой можно

уста-

новить несоответствие

между

этими характеристиками. Так, например,

иридий,

имеющий в два раза

лучшую

теплопроводность, чем платина и

палладий, хрупок,

тогда

как последние металлы очень пластичны. Это

относится и к родию. Все перечисленные металлы имеют одинаковую

г. ц. к. решетку.

Среди металлов с о. ц. к. кристаллической структурой хром, мо-

либден и вольфрам считаются хладноломкими, а ванадий, ниобий и тан-

тал— пластичными. Теплопроводность первых в два раза выше.

Все же теплопроводность сама по себе может оказывать положи-

тельное влияние на пластичность металлов, устраняя местные перегре-

вы при деформации. Известно, что температура металла при холодной

деформации повышается на несколько десятков

градусов

и более. При

горячей деформации происходит аналогичное явление, и при прокатке

проволочной заготовки в калибрах многоклетьевого стана возможно

вместо обычного остывания металла увеличение его яркости в некоторых

калибрах, где деформация более интенсивна.

Помимо

общего разогрева металла происходит местный разогрев по

плоскостям сдвига, приводящий к уменьшению прочности в данном уча-

стке и дальнейшей локальной деформации, что нежелательно. Хорошая

теплопроводность металла способствует выравниванию температуры и

уменьшению локальной деформации. При горячей деформации местный

разогрев ускоряет рекристаллизацию в данном участке, и зарождение

трещины не происходит. При холодной деформации это может прои-

зойти.

Локализация деформации зависит от величины теплового эффекта,

зависящего от модуля сдвига, теплопроводности и теплоемкости ме-

талла, от числа плоскостей сдвига в единице объема и от интенсивно-

сти температурного разупрочнения металла.

Недостаточная пластичность иридия, родия, хрома, молибдена н

1вв

вольфрама может быть частично (помимо влияния примесей) обуслов-

лена высоким модулем упругости этих металлов и, следовательно, боль-

шим

тепловым эффектом деформации. Кроме того, у этих металлов кри-

тическое напряжение сдвига и предел текучести (при наличии приме-

сей) значительно понижаются при повышении температуры (высокий

коэффициент

разупрочнения).

Большое влияние на пластичность и теплопроводность оказывают

примеси.

При снижении температуры растворимость примесей в метал-

лах, как правило, уменьшается, поэтому роль примесей возрастает и

оказывают влияние даже очень малые их концентрации. Это справедли-

во не только по отношению к механическим, но и к другим свойствам

металлов. При криогенных температурах очистка от примесей особен-

но

резко

улучшает

проводимость металлов.

Так,

например, теплопроводность меди технической чистоты (г=

2-нЗ) при

—253°С

равна 150 Вт/(мК), при —

263°С

65 Вт/(м-К); У

меди повышенной частоты (г=1530) соответственно

8800

13330

Вт/

/(м'К),

а у меди высокой чистоты

10800

24300

Вт/(м-К). Таким об-

разом, с повышением чистоты теплопроводность меди улучшилась при

—253

°С в 70 раз, а при

—263

°С в 370 раз.

Следует отметить, что медь высокой чистоты не была свободна от

примесей,

поскольку при температуре ниже — 265 °С наблюдалось ано-

мальное уменьшение теплопроводности; у загрязненной меди оно про-

исходило при

—253

°С.

Легирование высокочистого

(99,9999

%) серебра марганцем чисто-

той

99,95

% также приводило к понижению теплопроводности (табл.

87).

ТАБЛИЦА

87.

ВЛИЯНИЕ

МАРГАНЦА НА ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

СЕРЕБРА

ПРИ

НИЗКИХ

ТЕМПЕРАТУРАХ

Содержа-

ние

Мп,

% (ат.)

0,005

0,067

0,110

0,310

-271

7 830

510

—

Теплопроводность,

—269

14 700

980

120

—'267

18 700

1420

180

100

—265

19 000

1950

250

130

Вт/(мК).

при t

-263 1 -258

16 800

2 250

310

180

9 600

2 650

430

270

105

1СП

—253

5 100

2 400

520

320

143

—248

—

580

380

162

—193

464

—

300

230

При

криогенных температурах даже наличие

0,005

% (ат.) марган-

ца

понижало теплопроводность серебра в 10 раз.

Очистка золота также существенно улучшала теплопроводность при

низких

температурах (табл. 88).

ТАБЛИЦА

88. ВЛИЯНИЕ

ЧИСТОТЫ

ЗОЛОТА

НА ЕГО

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

ПРИ

НИЗКИХ

ТЕМПЕРАТУРАХ

Чистота Аи, %

99,9

99,999

Высокая

....

Теплопроводность, Вт/(м-К), при <

исп

, °С

160

1300

1610

259

2000

2520

490

2900

3240

600

2200

2460

620

1500

1580

СО

500

750

755

400

500

515

350

421

330

327

350

325

Повышение

чистоты алюминия с

99,995

до

99,999

% (г равно соот-

ветственно 467 и

2400)

улучшало теплопроводность при

—248

"С в 2

раза, при — 258 °С в 5 раз, при — 263 °С в 10 раз, при — 268 °С в 28 раз

при

—270

°С в 40 раз.

Влияние температуры на теплопроводность хорошо отожженного

олова высокой чистоты показано ниже:

Г, К 1 2 3 4 5 6

Я,

Вт/(м-К) . .. 18 300 32 300 29 700 18 100 11700

7600

Продолжение

Г К 7 8 9 10 20 30 40 50 60

Jl, Вт/(м-К) • • •

5200

3600 2600

1930 320 176 133 115 104

Продолжение

Г, К 70 80 90 100 150 200 273 300 350 400 500

Я,

Вт/(м-К) ..• 96 91 88 85 78 73 68 67 64 62 60

Зависимость теплопроводности монокристаллов олова с осью об-

разца вдоль направления [111] при криогенных температурах от его чис-

тоты приведена ниже:

Чистота Sn, %:

99,9

99,99

99,999

400

960

—

390

580

840

170

180

200

Теплопроводность монокристалла олова высокой чистоты парал-

лельно оси с равна

14200,

53 и 46 Вт/(м-К) при 1; 273 и 500 К соот-

ветственно, а перпендикулярно этой оси:

20400,

76 и 66 Вт/(м-К) соот*

ветственно.

Температуропроводность олова при 700, 1000 и 1300 К равна со-

ответственно: 17,0; 16,8 и 16,6-10'м

/с.

Теплопроводность отожженного свинца высокой чистоты в зависи-

мости от температуры следующая:

Г, К 1 2 3 4 5 6 7 8

Я,

Вт/(м-К)

2790

4460

3580

2220

1380 810 486 320

Продолжение

Т, К 9 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Я,

Вт/(м-К) 230 178 59 48 45 44 43 42 41 40 40

Продолжение

Г, К 150 200 250 273 298 300 400 500 600

Я,

Вт/(м-К) 38 37 36 36 35 35 34 33 31

Влияние температуры на теплопроводность X и температуропровод-

ность а сурьмы показано ниже:

Т,

К 100 200 300 400 500 600 700 800 1000

Я,

Вт/(м-К) . 46,4 30,2 24,3 21,2 19,4 18,2 17,4 16,8 27

о-10«,

м*/с. 40,8 22,5 17,5 15,0 13,4 12,3 11,5 10,8 15

198

Теплопроводность сурьмы при низких температурах зависит от

чистоты:

10 20 30 50 10'

Т, К • • . 2 3 4 5 6

Я,

Вт/(м-К).

при

г.

— .... 90 130 190 260 320 400 450 490 495 220 150 85 45

6 .... — 3,8 — 10 — — — — 30 37 36 — —

770 ... — — 200 280 340 — 450 — 500 230 150 90 50

При

повышении температуры электросопротивление сурьмы увели-

чивается:

Т, К 78 273 450 650 850

р,

мкОм-м . . 0,08 0,39 0,46 1,08 1,44

Влияние

температуры на теплопроводность хорошо отожженного

висмута высокой чистоты показано ниже:

Г, К 20 30 40 50 60 80 100 150

X, Вт/(м-К) 90 56 41,4 32,6 26,8 20,3 16,5 11,8

Продолжение

Т, К 200 250

273,2

300 350 400 500

544,5

X, Вт/(м-К) 9,69 8,54 8,20 7,87 7,39 7,04 6,63 6,50

Добавки 0,1 % (ат.) легирующих элементов существенно уменьша-

ют теплопроводность монокристаллов висмута при низких температу-

рах (ось образцов параллельна оси с):

Г, К

X, Вт/(м-К):

чистого Bi ......

с добавкой 0,1 % (ат.) Те

с добавкой 0,1 % (ат.) Sn

5 8 10 20 30 50

2100

1500 390 250 100 60 35

70 80 74 50 39 30

180 210 160 120 62 42 33

Аналогичная закономерность имеет место у лития, натрия, хрома,

молибдена, рения, железа, никеля, тория и

других

металлов.

Температура

плавления. Как правило, тугоплавкие металлы менее

пластичны при 20

С, чем легкоплавкие, потому, что первые находятся

при

меньших гомологических температурах. По границам зерен обыч-

но

находятся легкоплавкие элементы; таких элементов у калия мало,

а у вольфрама все элементы имеют меньшую точку плавления. Калий

высокопластичен, а вольфрам — лишь при тщательной очистке от при-

месей.

Примеси.

Примесями называют небольшие количества веществ, со-

путствующих основному элементу и обычно оказывающих отрицатель-

ное

действие. Вредное влияние примесей на пластичность известно дав-

но,

но, к сожалению, решающую роль их нередко отрицают, а возмож-

ность существенного влияния

даже

малого их содержания недоучиты-

вают. Однако действие примесей настолько значительно, что не позво-

ляет надежно выявить влияние

других

факторов. Примеси оказывают

решающее влияние на пластичность металлов; они — основная причина

всех видов хрупкости: высокотемпературной вблизи точки плавления,

промежуточных зон хрупкости и хладноломкости. Высокотемператур-

199

иая

хрупкость олова, установленная многими исследователями, не яв-

ляется природным свойством этого металла, так как испытания чистого

олова показали отсутствие хрупкости. С улучшением чистоты алюминия

также исчезла наблюдавшаяся ранее хрупкость вблизи его точки плав-

ления.

Недавно проведенные исследования механических свойств галлия

(ромбическая

структура)

особо высокой чистоты выявили его природ-

ную пластичность: гр= 100 %, 6 = 134%. Испытания бериллия повышен-

ной

чистоты выявили ошибочность распространенной точки зрения о

природной

хрупкости бериллия при 850, 20 °С и низких температурах:

лри

800°С

6 = 90%, при

1000°С

6=130%; монокристаллы бериллия

после зонной очистки имеют 6=140%, а после шестикратной очистки

6=222 %; с увеличением числа дистилляций повышается чистота берил-

лия

и понижается температура перехода к низкотемпературной

хруп-

кости.

Экспериментально доказано, что зоны хрупкости при промежуточ-

ных температурах (красноломкость, горячеломкость, провалы пластич-

ности) меди, никеля, железа и

других

металлов обусловлены наличием

сотых и тысячных долей процента примесей серы, кислорода, свинца,

висмута и др.

При

значительном содержании примесей пластичность

ухудшается

во всем температурном интервале, при меньшем содержании их возни-

кают зоны хрупкости, ширина которых (температурный интервал) и

глубина (потеря пластичности) зависят от природы примесей, их ко-

личества, локальной концентрации по границам зерен, двойников, бло-

ков

и от величины зерна металла.

уменьшением величины зерна технического металла пластичность

улучшается, так как при этом понижается локальная межкристаллитная

концентрация

примесей. Хладноломкость также обусловлена примесями:

например,

сурьма вызывает хладноломкость меди, а кислород — железа.

Растворимость примесей при понижении температуры уменьшается,

поэтому для устранения хладноломкости требуется высокая очистка.

Закалка,

переводя примеси в твердый раствор,

улучшает

пластичность,

последующая выдержка при более высокой температуре приводит к меж-

кристаллитной сегрегации примесей в тугоплавких металлах

даже

при

20 °С.

Нехладноломки не только металы с г. ц. к. решеткой (свинец, медь,

серебро, никель), легкоплавкие металлы с о.ц.к. и п.г. решетками (ли-

тий,

натрий, калий, кадмий), но и «типично хладноломкие» металлы

(железо, металлы VIA подгруппы, если они чисты).

Вместе с тем и «типичные нехладноломкие» металлы

могут

при

наличии

даже

небольшого количества примесей разрушаться по грани-

цам зерен при криогенных температурах. При этих температурах нич-

тожное содержание примесей, с

трудом

поддающееся количественному

определению, резко влияет на теплопроводность и электропроводность

металлов (на несколько порядков). Поэтому можно с полным основа-

нием

полагать, что аналогичное влияние оказывают малые количества

примесей и на пластичность, приводя к хладноломкости.

Высокая очистка выявила природную пластичность при криогенных

температурах железа, молибдена, кадмия, тантала, ниобия, титана.

Критическое напряжение сдвига у загрязненных металлов сущест-

венно

возрастает с понижением температуры; у высокочистых металлов

этого не наблюдается.

Сурьма и висмут не являются типичными металлами, их иногда

называют полуметаллами. Они плохо проводят тепло и электричество,

электроотрицательность их выше, чем большинства

других

металлов.

Однако

даже

эти хрупкие металлы становятся очень пластичными при

повышении

чистоты; чем они чище, тем ниже температура перехода.

200