5.1. Структурная чувствительность физико-механических свойств

Как отмечалось выше (см. п. 1), один из важнейших признаков структуры - это дефекты кристаллического строения, то есть вакансии, дислокации, дефекты упаковки, примесные атомы в небольших количествах. Значительное количество атомов, введенных в металл, изменяет его состав и не может рассматриваться как дефект структуры. В этом случае следует говорить о легировании, которое изменяет фазовое состояние металла. Кроме того, внутренние напряжения и границы зерен также могут влиять на физические свойства металла. Однако современное модельное описание напряжений и границ зерен сводит их к совокупности дефектов кристаллического строения. Таким образом, рассматривая влияние структуры на свойства, мы, прежде всего, подразумеваем их зависимость от дефектов строения. К структурным особенностям поликристаллических тел, влияющим на свойства, относится и кристаллическая текстура. Степень ее совершенства или отсутствие текстуры влияют на значение свойств, чувствительных к анизотропии кристалла. Кроме текстуры, связанной с кристаллической анизотропией, на структурно чувствительные свойства двух- и многофазных сплавов влияет также текстура, связанная с относительным расположением фазовых составляющих. Таким образом,структурная чувствительность свойств - это их зависимость от кристаллических дефектов и текстуры.

Однако некоторые свойства так мало зависят от структуры, что могут быть признаны структурно нечувствительными. Примером являются намагниченность насыщения ферромагнетика, равная сумме атомных магнитных моментов в единице объема вещества, а также удельное электрическое сопротивление , которое меняется лишь на несколько процентов даже при высоких степенях холодной пластической деформации металла.

Структурно чувствительные и структурно нечувствительные физические свойства металлов представлены в табл. 2.6.

Таблица 2.6

Структурная чувствительность физико-механических свойств металлов

Свойства	Структурно чувствительные	Структурно нечувствительные
Магнитные	Ферромагнитные свойства: ,,и др.	Парамагнитные и диамагнитные свойства Ферромагнитные свойства: ,,
Электрические	Остаточное сопротивление (при низких температурах)	Удельное сопротивление Электрохимический потенциал Термоэлектрические свойства
Механические	Твердость, предел прочности и др. Пластичность	Плотность, модули упругости
Тепловые		Теплопроводность, температура плавления, теплоемкость, коэффициент теплового расширения

Все свойства, как структурно чувствительные, так и структурно нечувствительные, зависят от фазового состояния, то есть от состава, количественного соотношения и кристаллической структуры фаз, из которых состоит металл. Например, однофазный ферромагнитный сплав, представляющий собой твердый раствор, может быть неупорядоченным или в различной степени упорядоченным, то есть находиться в различном фазовом состоянии. В зависимости от степени упорядочения изменяется и такое свойство, как намагниченность насыщения , хотя оно структурно нечувствительно. Состав сплава - это характеристика фазового состояния.

Часто трудно отделить влияние структуры от влияния фазового состояния на то или иное свойство, однако, при сочетании структурного анализа и измерения этого свойства такое разделение возможно. Отсюда следует, что после того как определены свойства и выполнен структурный анализ, измерением данного свойства в некоторых случаях можно пользоваться как косвенным методом структурного анализа. Особенно полезно сочетание измерений различных свойств - структурно чувствительных и структурно нечувствительных. Это позволяет решать многочисленные задачи, сводящиеся к анализу фазового и структурного состояния металлов и сплавов и к анализу изменения этого состояния при различных видах обработки.

Для ферромагнитных металлов к структурно нечувствительным магнитным свойствам относятся следующие: самопроизвольная (насыщения) намагниченность , температура Кюри, константа естественнойкристаллографической магнитной анизотропии . Эти свойства определяются сортом атомов и типом кристаллической решетки и не зависят (или слабо зависят) от микроструктуры. На эти свойства не влияют также ни форма, ни размеры образца.

Типичными структурно чувствительными магнитными свойствами являются начальная и максимальнаямагнитные проницаемости, коэрцитивная сила, остаточная намагниченность(остаточная индукция), потери на гистерезис и другие. Эти свойства чрезвычайно резко зависят от условий изготовления и термической обработки (т.е. от микроструктуры), а также (за исключением коэрцитивной силы) от размеров образца. Наибольшее влияние на эти свойства оказывают атомы растворенного элемента, дислокации, границы зерен, наличие второй фазы и ее дисперсность.

Изменяя фазовое состояние и структуру сплавов, можно в широком диапазоне менять их свойства. Изменять фазовое состояние можно подбирая состав сплавов, а структуру - путем соответствующей обработки (термической, деформационной, термомагнитной и т.д.).

При изучении связи магнитных свойств со структурой и механическими свойствами именно структурно чувствительные свойства и представляют непосредственный теоретический и практический интерес. При этом необходимо отметить, что главным связующим элементом между кристаллографической структурой ферромагнитных материалов и их магнитными свойствами является доменная структура.

Магнитные свойства ферромагнитных материалов, не содержащих границ доменов, являются структурно нечувствительными. Магнитная проницаемость и коэрцитивная сила в этом случае определяются лишь свойствами самого материала и взаимодействием между электронами и положительными ионами в образце.

К настоящему времени получено достаточно много сведений о структуре доменов и элементарных процессах намагничивания. Однако современное состояние теории не позволяет еще получить однозначные количественные соотношения между величинами магнитных параметров и различными структурными характеристиками материалов. Правда, некоторые общие закономерности этой связи нашли свое теоретическое качественное объяснение. Так, например, выяснен общий характер зависимости такого важного магнитного параметра, как коэрцитивная сила, от величины и неоднородности внутренних напряжений и их дисперсности, от количества и распределения немагнитных включений (см. п. 3.5). Аналогичные соотношения получены и для некоторых других структурно чувствительных магнитных параметров (, ). Тем не менее, и в настоящее время использование магнитных измерений взамен механических испытаний требует детального (и теоретического и экспериментального) исследования связи магнитных параметров контроля с контролируемыми структурными характеристиками.

Структурно нечувствительные свойства часто используются для анализа химического и фазового состава материалов (см. п. 5.5).