Плоскость сдвига (с)

Граница зерна является препятствием для движения дислокаций, поэтому у границ зерен плотность дислокаций больше. Напряжения, концентрируясь у различных включений, порождают (генерируют) дислокации. Дислокации неравномерно распределены по объему металла, поэтому их распределение образует дислокационную структуру. Часто дислокации образуют сетку, точнее ячеистую структуру. Механические свойства металлов зависят от количества дислокаций и, особенно, от способности их к перемещению и размножению.

Кроме рассмотренных дефектов кристаллической решетки, в металле всегда имеются различные пустоты, неметаллические включения, микро- и субмикроскопические трещины, остаточные напряжения и т.д.

Рассматривая различные плоскости, например в о.ц.к. решетке, можно легко заключить, что они заполнены атомами с различной плотностью.

Так, в заштрихованном квадрате о.ц.к. решетки (рис. 1.4а) центры атомов располагаются по вершинам. Поскольку каждый из этих атомов принадлежит одновременно четырем квадратам, на долю каждого квадрата с площадью приходится полностью один атом.

Рис. 1.4. Плоскости в решетке объемоцентрированного куба

В заштрихованном прямоугольнике той же решетки на площадь (рис. 1.4б) приходится два атома, а на долю каждого атома – площадь , что меньше площади, т.е. на этой площади атомов расположено больше.

Свойства отдельно взятого кристалла (монокристалла) по данному направлению отличаются от свойств в другом направлении и, естественно, зависят от того, сколько атомов встречается в этом направлении. В наиболее плотно заполненных кристаллографических плоскостях атомы прочнее связаны друг с другом. С другой стороны, наиболее плотно заполненные плоскости, будучи удаленными друг от друга на относительно большие расстояния в сравнении с мало заполненными, будут слабее связаны друг с другом. Таким образом, механическая прочность кристалла будет зависеть от направления приложения силы. Различие физических свойств в зависимости от направления испытания носит название анизотропии. Анизотропия – особенность любого кристалла, характерная для кристаллического строения. Кристаллографическая анизотропия влечет за собой анизотропию не только механических, но и других физических свойств, включая электрические и магнитные.

Реальный металл состоит из многих кристаллов; размер каждого кристалла измеряется долями миллиметра, и поэтому в 1 см³ металла содержатся десятки тысяч кристаллов. Произвольность ориентировки каждого кристалла приводит к тому, что в любом направлении располагается примерно одинаковое количество различно ориентированных кристаллов. В результате получается, что свойства такого поликристаллического тела одинаковы во всех направлениях, хотя свойства каждого кристалла, составляющего это тело, зависят от направления. Это явление называется квазиизотропией (ложная изотропия).

В некоторых случаях желательно иметь поликристаллическое тело с явно выраженной анизотропией. В этом случае все или большинство кристаллов (зерен) должны быть ориентированы в пространстве одинаково. Такая преимущественная ориентировка кристаллов носит название “текстура”. Степень преимущественной ориентации может быть различна – от случайного распределения до 100 %-ной ориентации всех кристаллов в одном направлении (например, при высоких степенях холодной пластической деформации металла). Текстуру можно также получить при затвердевании расплавленного металла, электролизе и других обработках.

Электрические и магнитные свойства металлов. Металлы хорошо проводят электрический ток, т.е. являются проводниками. Основой изучения электрических свойств металлов и их сплавов является закон Ома, связывающий прямой пропорциональностью разность потенциалов на концах проводника и силу токапо нему протекающего:

. (1.1)

Коэффициент пропорциональности между и называется электрическим сопротивлением проводника. Единицей измерения сопротивления является 1 Ом.

Величина обратная электрическому сопротивлению проводника называется электрической проводимостью

(1.2)

и измеряется в единицах Ом^-1, названных сименс (См).

Величиной, характеризующей электрические свойства самого металла, является его удельное сопротивление . Оно определяется физической природой материала проводника и не зависит от его формы и размеров. Значениеможет быть получено измерением сопротивленияна образце длиной и сечением по формуле:

, (1.3)

где измеряется в метрах; – в мм². Величина обычно измеряется в мкОм^. см.

Удельная электрическая проводимость является величиной обратной удельному сопротивлению и вычисляется из выражения

. (1.4)

Величина измеряется в единицах См/м или в кратных единицах.

Удельное сопротивление (и проводимость) металлов и сплавов зависит от температуры . При высоких температурах (выше 20⁰С) для большинства металлов и сплавов справедлива линейная зависимость:

, (1.5)

где коэффициент зависит от металла. Значения удельного электрического сопротивления некоторых чистых металлов приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Электросопротивление чистых металлов при 22^о С

Металл	Атомный номер	ρ, мкОм.см
		22о С
Li	3	9,32
Na	11	9,21
K	19	7,19
Cu	29	1,70
Ag	47	1,61
Au	79	2,20
Mg*	12	4,30
Ca	20	3,6
Ti*	22	43,1
Zr*	40	42,4
V	23	19,9
Cr	24	12,9
Mo	42	5,33
Fe	26	9,8
Co	27	5,80
Ir	77	5,07
Ni	28	7,04
Pd	46	10,55
Pt	78	10,42
Al	13	2,74
Pb	82	21,0

^*- металлы с некубической кристаллической решеткой

Перенос электричества в металле (электрический ток) осуществляется электронами. В опыте Стьюарта и Толмэна соленоид, вращающийся с большой скоростью и подключенный к баллистическому гальванометру, внезапно останавливался. При этом гальванометр регистрировал импульс тока, возникновение которого обусловлено тем, что электроны в металле продолжают некоторое время двигаться по инерции. Доказательством того, что носителями электрического тока являются электроны, служит также и эффект Холла.

Все металлы реагируют на внесение их в магнитное поле. Для всех них можно говорить о магнитной поляризации, т.е. о возникновении (или изменении) их магнитных моментов. Мерой магнитной поляризации служит намагниченность , которая определяется как магнитный момент единицы объёма и количественно равна

, (1.6)

где - некоторый объём вещества. Намагниченность, как и магнитное поле, измеряется в амперах на метр (А/м).

Намагниченность меняется под действием поля, что можно выразить как

(1.7)

где коэффициент может сложным образом зависеть от, температуры, давления и других факторов. Коэффициентназывают магнитной восприимчивостью и в зависимости от его величины и знака (при комнатной температуре) различают три основных типа магнетиков: диа-, пара- и ферромагнетики. Первые два относят к слабомагнитным веществам, а последний тип магнетиков относят к сильномагнитным веществам, к которым относятся также антиферромагнетики, ферримагнетики и др. В табл. 1.2 приведены примеры основных типов магнетиков.

Таблица 1.2

Свойства различных магнетиков

Магнетик	Значение магнитной восприимчивости	Примеры веществ	Взаимодействие с полем
Диамагнетик	-10-5	Водород, азот, инертные газы, золото, ртуть, кремний, фосфор дерево, мрамор, вода	Слабое
Парамагнетик	+10-2…+10-5	Кислород, литий, алюминий, натрий платина, калий, молибден, цезий, рубидий, осмий, вольфрам, цирконий	Слабое
Ферромагнетик	+10… + 105	Железо, никель, кобальт, редкоземельные металлы, тербий, гадолиний, тулий, диспрозий, эрбий и их сплавы и соединения	Сильное

Диамагнетизм проявляется во всех веществах независимо от их состояния (газообразное, жидкое, твёрдое), но чаще всего диамагнитные явления перекрываются более сильными (парамагнетизмом, ферромагнетизмом). Диамагнетик во внешнем магнитном поле намагничивается противоположно полю. Данное явление связано с прецессией орбит электронов (прецессия Лармора) вокруг направления внешнего поля. В однородном магнитном поле диамагнетик стремится занять положение, перпендикулярное направлению магнитного поля, а в неоднородном поле - выталкивается из него. Данное явление применяется, например, для создания магнитных опор без трения, где в качестве материала элементов осей, помещаемых в неоднородное магнитное поле, используется поликристаллический или пиролитический углерод . Диамагнетизмом обладают сверхпроводники.

Парамагнетизм присущ газообразным, жидким и твёрдым веществам, которые имеют нескомпенсированный магнитный момент атомов. Без внешнего поля магнитные моменты хаотически разориентированы (т.е. намагниченность материала ). При наложении поля моменты ориентируются по его направлению, и парамагнетик приобретает намагниченность. При комнатных температурах парамагнитные вещества невозможно довести до насыщения, поскольку тепловое движение атомов нарушает ориентацию магнитных моментов вдоль поля.

В дальнейшем подробно будут рассматриваться свойства ферромагнитных веществ (материалов) и изделий из них, т.к. именно они являются главными объектами магнитного контроля и распространенными объектами вихретокового контроля (например, сплав железа с углеродом – сталь). К наиболее распространенным ферромагнитным металлам относятся железо, никель и кобальт, а также сплавы этих металлов между собой и с другими веществами. Как будет показано, при нагревании ферромагнетики при некоторой температуре теряют ферромагнитные свойства и превращаются в парамагнетики (магнитное превращение).