МЕТАЛЛЫ


МЕТАЛЛЫ
МЕТАЛЛЫ

       
(от греч. metallon, первоначально — шахта, руда, копи), простые в-ва, обладающие в обычных условиях характерными св-вами: высокими электропроводностью и теплопроводностью, отрицательным температурным коэфф. электропроводности, способностью хорошо отражать эл.-магн. волны (блеск и непрозрачность), пластичностью. М. в тв. состоянии имеют крист. строение. В парообразном состоянии М. одноатомны. Перечисленные св-ва М. обусловлены их электронным строением. В твёрдых и жидких М. не все эл-ны связаны со своими атомами: значит. часть эл-нов может перемещаться; энергия этих эл-нов (электронов проводимости) соответствует зоне проводимости М. (см. ЗОННАЯ ТЕОРИЯ). М. можно представить в виде остова из положит. ионов, погружённого в «электронный газ». Последний компенсирует силы взаимного электростатич. отталкивания положит. ионов и тем самым связывает их в твёрдое тело (металлич. связь).
Из известных (1980) 106 хим. элементов 83—М. Если в периодич. системе элементов провести прямую от В до At (см. табл.), то М. будут расположены слева от неё. Совокупность перечисленных св-в присуща типичным М. (напр., Cu, Au, Ag, Fe) при обычных условиях (атм. давлении, комнатной темп-ре). При очень высоких давлениях (=105—106 атм или 1010—1011 Па) св-ва М. могут значительно измениться, а неметаллы приобрести металлич. св-ва. Металлич. блеск присущ только компактным металлич. образцам и металлич. плёнкам, мелкодисперсные порошки М. часто имеют чёрный или серый цвет. Многие элементы по одним св-вам можно отнести к М., по другим — к неметаллам.
МЕТАЛЛЫ1
Особенно много таких «нарушений» имеется вблизи границы, обозначенной в таблице. Напр., Ge — М. по внеш. виду и хим. св-вам, а по величине и хар-ру электропроводности — полупроводник; существуют также полуметаллы. Металлич. сплавы по св-вам имеют много общего с М., поэтому их нередко относят к М.
Большинство М. кристаллизуется в кубических объёмно-центрированной (ОЦК) и гранецентрированной (ГЦК) решётках и гексагональной (ГПУ) решётке. Это соответствует наиб. плотной упаковке атомов. Лишь небольшое число М. имеет более сложные типы крист. решёток. Многие М. в зависимости от темп-ры и давления могут существовать в виде неск. крист. модификаций (см. ПОЛИМОРФИЗМ).
Электрические свойства.
Уд. электропроводность М. при комнатной темп-ре =10-8'—10-6 Ом-1 •м-1. Характерное св-во М. как проводников — линейная зависимость между плотностью тока и напряжённостью приложенного электрич. поля (закон Ома). Носителями тока в М. явл. эл-ны проводимости, обладающие высокой подвижностью. Согласно квантовомеханич. представлениям, в идеальном кристалле эл-ны проводимости (при отсутствии тепловых колебаний крист. решётки) не встречают сопротивления на своём пути. Существование у реальных М. электрич. сопротивления — результат нарушения периодичности крист. решётки. Эти нарушения (дефекты) связаны как с тепловым движением атомов, так и с наличием примесных атомов, вакансий, дислокаций и др. статич. дефектов в кристаллах. На колебаниях и дефектах происходит рассеяние эл-нов. Мерой рассеяния служит длина свободного пробега l -— ср. расстояние между двумя последовательными столкновениями эл-нов с дефектами. Величина уд. электропроводности а связана с l соотношением:
МЕТАЛЛЫ2
где n — концентрация эл-нов проводимости (=1022 — 1023 см-3), е— заряд эл-на, рF=2pћ(3n/8p)1/3— граничный фермиевский импульс (см. ФЕРМИ ПОВЕРХНОСТЬ). Зависимость s или уд. электросопротивления r=s-1 от темп-ры Т связана с зависимостью l от Т. При комнатных темп-рах l=10-6 см. При темп-pax, значительно превышающих Дебая температуру, сопротивление r обусловлено гл. обр. тепловыми колебаниями атомов и возрастает с темп-рой линейно:
r =rост(1+aT). (2)
Постоянная a, наз. температурным коэфф. сопротивления, имеет при темп-ре T=0°C типичное значение: a=4•10-3 К-1. При более низких темп-pax, когда влиянием тепловых колебаний на рассеяние эл-нов можно пренебречь, сопротивление практически перестаёт зависеть от темп-ры. Это предельное значение сопротивления наз. остаточным. Величина rост характеризует концентрацию дефектов в решётке М. Удаётся получить столь чистые (с в е р х ч и с т ы е) и свободные от дефектов М., что у них rост в 104—105 раз меньше уд. сопротивления при комнатной темп-ре. В сверхчистых М. l достигает 10-2 см. При низких темп-pax (T<-qD, qD— дебаевская темп-pa) r определяется ф-лой:
r=rост +AT2 + BT5, (3)
где А и В — величины, не зависящие от Т. Член ВТ5 связан с рассеянием эл-нов на тепловых колебаниях атомов, а член АТ2— со столкновениями эл-нов друг с другом. Ф-ла (3) явл. приближённой.
У нек-рых М. и металлидов при определ. темп-ре, наз. критической, наблюдается полное исчезновение сопротивления — переход в сверхпроводящее состояние (см. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ). Критич. темп-ры чистых М. лежат в интервале от неск. сотых долей К до 9 К, у металлидов — выше, напр. у Nb3Ge критич. темп-ра 23,2 К.
Если металлич. образец, по к-рому течёт ток, поместить в пост. магн. поле, то в М. возникают явления, обусловленные искривлением траекторий эл-нов в магн. поле в промежутках между столкновениями (гальваномагнитные явления). Среди них важное место занимают Холла эффект и магпиторезистиеный эффект. В магн. полях =104—105 Э и более при низких темп-pax у всех металлич. монокристаллов наблюдается осциллирующая зависимость электросопротивления от магн. поля (Шубникова — де Хааза эффект).
При нагревании М. до высоких темп-р (напр., тугоплавких М. до =2000—2500°С) наблюдается «испарение» эл-нов с поверхности М. (термоэлектронная эмиссия). Эмиссия эл-нов с поверхности М. происходит также под действием сильных электрич. полей E=107 В/см в результате туннельного просачивания эл-нов через сниженный полем потенц. барьер (см. АВТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ). Наблюдаются также явления фотоэлектронной эмиссии, вторичной электронной эмиссии и ионно-электронной эмиссии. Перепад темп-ры вызывает в М. появление электрич. тока или термоэдс (см. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ).
Тепловые свойства.
Теплоёмкость М. обусловлена как ионным остовом (решёточная теплоёмкость Ср), так и электронным газом (электронная теплоёмкость Сэ). Хотя концентрация эл-нов проводимости в М. очень велика и не зависит от темп-ры, электронная теплоёмкость наблюдается у большинства М. только при низких темп-pax, порядка неск. К (т. к. электронный газ в М. вырожден, темп-pa вырождения =104—105 К). Величину Сэ измеряют, пользуясь тем, что при уменьшении темп-ры Ср убывает пропорц. Т3, а Сэ — пропорц. Т. Для Cu (одного моля) Cэ=0,9•10-4 RT, для Pd Сэ=1,6•10-3RT, где R — газовая постоянная. Эл-ны проводимости, обеспечивающие электропроводность, участвуют и в теплопроводности М. Между уд. электропроводностью и электронной частью теплопроводности существует простое соотношение, наз. Видемана — Франца законом.
Взаимодействие металлов с электромагнитными полями.
Перем. электрич. ток при достаточно высокой частоте течёт по поверхности М., не проникая в его толщу (см. СКИН-ЭФФЕКТ). Эл.-магн. поле частоты w проникает в М. лишь на глубину скин-слоя толщиной 8. Напр., для Cu при w=108 Гц d=6•10-4 см. В таком слое поглощается часть эл.-магн. энергии. Другая часть переизлучается эл-нами и отражается (см. МЕТАЛЛООПТИКА) (см.). В чистых М. при низких темп-рах обычно l>d. При этом напряжённость поля существенно изменяется на длине свободного пробега, что проявляется в хар-ре отражения эл.-магн. волн от поверхности М. (а н о м а л ь н ы й с к и н - э ф ф е к т).
Сильное пост. магн. поле Н существенно влияет на радиочастотные св-ва М. Если на М., помещённый в сильное пост. магн. поле Н, падает эл.-магн. волна, частота к-рой кратна частоте прецессии эл-нов проводимости вокруг силовых линий поля Н, наблюдаются резонансные явления (см. ЦИКЛОТРОННЫЙ РЕЗОНАНС). При определ. условиях в толще М., находящемся в пост. магн. поле, могут распространяться слабо затухающие эл.-магн. волны, т. е. скин-эффект исчезает. Электродинамнч. св-ва М., помещённого в магн. поле, сходны , со св-вами плазмы в магн. поле и явл. источником информации об эл-нах проводимости.
Для эл.-магн. волн оптич. диапазона М., как правило, практически непрозрачны. Тонкая структура линий характернстич. рентг. спектров, соответствующая квант. переходам эл-нов из зоны проводимости на более глубокие уровни, отражает распределение эл-нов проводимости по уровням энергии.
Магнитные свойства.
Все переходные металлы с недостроенными f- и d-электронными оболочками явл. парамагнетиками. Нек-рые из них при определ. темп-pax переходят в магнитоупорядоченное состояние (см. ФЕРРОМАГНЕТИЗМ, АНГПИФЕРРОМАГНЕТИЗМ, КЮРИ ТОЧКА). Магн. упорядочение существенно влияет на все другие св-ва М., в частности на электрич. св-ва: в электрич. сопротивление вносит вклад рассеяние эл-нов на колебаниях упорядоченной системы магн. моментов эл-нов (см. СПИНОВЫЕ ВОЛНЫ).
Гальваномагн. явления при этом также приобретают специфич. черты.
Магн. св-ва всех остальных М. определяют эл-ны проводимости, дающие вклад как в диамагнитную, так и в парамагнитную восприимчивости М., и ионы, к-рые, как правило, диамагнитны (см. ДИАМАГНЕТИЗМ). Магн. восприимчивость c для большинства М. сравнительно мала (c=10-6) и слабо зависит от темп-ры. При низких темп-pax и в сильных магн. полях у всех металлич. монокристаллов наблюдается сложная осциллирующая зависимость суммарного магн. момента от поля Н (см. ДЕ ХААЗА — ВАН АЛЬФЕНА ЭФФЕКТ). Эффекты де Хааза — ван Альфена и Шубникова — де Хааза имеют общую природу.
Механические свойства.
Многие М. и сплавы обладают комплексом механич. св-в, обеспечивающим их широкое применение в технике в кач-ве конструкц. материалов. Это в первую очередь сочетание высоких пластичности и вязкости со значительными прочностью, твёрдостью и упругостью, причём соотношение этих св-в может регулироваться в большом диапазоне с помощью механич. и термич. обработки М., а в сплавах — изменением (иногда незначительным) концентрации компонентов. Некоторые металлы (Zn, Sb, Bi) при комнатной температуре хрупки и становятся пластичными только при нагревании.
Исходной хар-кой механич. св-в М. явл. модуль упругости G, определяющий сопротивление крист. решётки упругому деформированию и непосредственно отражающий величину сил связи в кристалле. Сопротивление разрушению или пластич. деформации идеального кристалла велико (=10-1 G). Но в реальных кристаллах эти хар-ки, как и все механич. св-ва, определяются наличием дефектов, в первую очередь дислокацией. Перемещение дислокаций по плотноупакованным плоскостям приводит к скольжению — осн. механизму пластич. деформации М. (см. ПЛАСТИЧНОСТЬ). Важнейшая особенность М.— малое сопротивление перемещению дислокации в бездефектном кристалле. Это сопротивление особенно мало в кристаллах с чисто металлич. связью, к-рые обычно имеют плотно-упакованные структуры (ГЦК или ГПУ). Увеличение сопротивления пластич. деформации (по крайней мере, в этих кристаллах) связано со вз-ствием движущихся дислокаций с др. дефектами в кристаллах (с др. дислокациями, примесными атомами, внутр. поверхностями раздела). Вз-ствие дефектов определяется искажениями решётки вблизи них и пропорц. G. В результате большой плотности дислокаций и др. дефектов прочность М. возрастает.
В процессе деформации число дислокаций в крист. решётке увеличивается, соотв. растёт сопротивление пластич. деформации (д е ф о р м а ц и о н н о е у п р о ч н е н и е или н а к л ё п). По мере роста плотности дислокаций при пластич. деформации растёт неравномерность их распределения, приводящая к концентрации напряжений в местах сгущения дислокаций и зарождению очагов разрушения — трещин. Концентрации напряжений имеются и без деформации в местах скопления примесей, ч-ц др. фаз и т. п. Но, вследствие пластичности М., деформация вблизи скоплений предотвращает разрушение. Однако если сопротивление движению дислокации растёт, то это приводит к хрупкому разрушению.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. . 1983.

МЕТАЛЛЫ

- традиционно определяются как конденсированное состояние вещества (твёрдое тело, жидкость), построенного из атомов M. в хим. понимании, т. е. легко отдающих электроны в процессе хим. реакций. Характерные признаки M.: высокие электро- и теплопроводность, причём электропроводность повышается с понижением темн-ры T, а также пластичность.

Металлическое состояние. Основанием для выделения M. в отд. класс веществ служит деление всех веществ по электрич. свойствам на проводники и изоляторы (полупроводники и полуметаллы занимают промежуточное положение). M.- проводники. Однако нек-рые элементы в зависимости от кристаллич. структуры могут быть проводниками (M.), изоляторами ( диэлектриками), полупроводниками или полуметаллами. Примеры: Sn (белое олово - M., серое - полупроводник); С (графит - полуметалл, алмаз - диэлектрик, см. Полиморфизм). В результате можно говорить о металлич. состоянии вещества, понимая под этим такое состояние, при к-ром в теле есть достаточно большое кол-во коллективизиров. подвижных электронов (электронов проводимости или свободных электронов), причём их подвижность не есть результат термич. возбуждения; если тело в данном состоянии существует вплоть до T = 0 К, то и при T =0 К в нём есть электроны проводимости. Наличие электронов проводимости - обязат. признак структуры M. Представление о M. как о веществе, состоящем из положит, ионов и свободных электронов, достаточно точно отражает строение реальных M. Электроны компенсируют силы отталкивания, действующие между положительно заряженными ионами, и тем самым связывают их в твёрдое тело или жидкость. Электроны проводимости определяют не только электрич., магн., оптич. и др. типично электронные свойства, но и их теплопроводность, а при низких темп-pax - теплоёмкость. Значительна роль электронов в сжимаемости M. и др. механич. характеристиках, их наличие делает M. пластичным.

Фазовые переходы в M. сопровождаются изменением свойств электронной системы. Иногда причиной перехода служит изменение электронного спектра, а изменение кристаллич. структуры носит вторичный характер [напр., переход из нормального состояния M. в сверхпроводящее или из парамагнитного в ферро-или антиферромагнитное (ФМ, АФМ, табл. 1)], В твёрдом состоянии M.- кристаллы (в парообразном - одноатомные газы). Темп-ры плавления T пл всех M. выше 300 К (кроме Hg с 3022-56.jpg, так что в обычных условиях M.- твёрдые тела. При плавлении M. сохраняет металлич. свойства (см. Жидкие металлы). Искусственно созданы аморфные твёрдые M. (см. Аморфные металлы, Металлические стёкла).

В металлич. состоянии могут находиться сильно ле-гиров. полупроводники (электроны проводимости в них существуют при T = 0К), а также вещества, состоящие из неметаллич. атомов, напр, полимерный кристалл 3022-57.jpgМеталлич. свойствами обладают нек-рые хим. соединения, напр, кристаллы окислов типа 3022-58.jpg3022-59.jpg халькогенидов 3022-60.jpg и более сложных соединений (AuTe2, Br и др., кристаллы, содержащие органич. комплексы, см. Органические проводники), а также многокомпонентные материалы со структурой типа перовскита (напр., 3022-61.jpg или со слоистой структурой (напр.,3022-62.jpg, являющиеся высокотемпературными сверхпроводниками (напр., темп-ра сверхпроводящего перехода 3022-63.jpg К).

К M. относят интерметаллические соединения типа 3022-64.jpg , AgZn и др., к-рые от обычных M. отличаются лишь более сложной кристаллич. структурой.

Большинство M. кристаллизуется в структуры, отвечающие плотной упаковке атомов с гранецентриров. кубической (ГЦК) и гексагональной (гекс) решётками (обе имеют макс, координационное число- 12). Др. решётки M. тоже достаточно просты: объёмноцентри-рованная кубическая (ОЦК) у щелочных M., тетрагональная (тетр) с 1-2 атомами в элементарной ячейке. Лишь небольшое число M. имеют более сложное строение (слож.), напр. Mn, в элементарной ячейке к-рого 58 атомов (табл. 1).

За исключением Au, Ag, Pt, Cu, встречающихся в самородном состоянии, остальные M. в природе существуют в составе хим. соединений - окислов, сульфидов и др., образующих руды. Относит, распространённость нек-рых M. в земной коре приведена в табл. 2.

Табл. 2.

3022-65.jpg

Промышл. использование M. прямо не связано с их распространённостью в земной коре, а зависит от развития способов извлечения M. из руд, очистки, потребностей техники и т. п. Широкое применение самого распространённого на Земле M.- Al началось лишь в 20 в. По-видимому, первый M., использованный человеком,- Cu.

Обычно анизотропия свойств M., напр, анизотропия электропроводности 3022-66.jpg, выражена слабо. Однако в ряде случаев особенности структуры, напр, слоистое строение графита, графита, интеркалированного примесями (см. Интеркалированные соединения), дихалькогени-дов, приводят к различию s вдоль и поперёк слоев на неск. порядков. В комплексных соединениях, обладающих металлич. свойствами, таких, как 3022-67.jpg

3022-68.jpg , или в соединениях, молекулы к-рых содержат комплекс тетрацианохинодиметана (TCNQ), проводимость осуществляется по цепочкам металлич. атомов. Вдоль этих цепочек она на много порядков выше, чем проводимость в поперечном направлении (см. Квазиодномерные соединения). Двумерные M. создаются искусственно, напр, в тонких плёнках (см. Квазидвумерные соединения).

Число электронов проводимости в 1 см 3 (или их число на элементарную ячейку кристалла либо на 1 атом) h- важнейшая характеристика металлич. состояния. Как правило, из всех атомарных электронов "освобождаются" (коллективизируются) только валентные. Это даёт возможность по хим. свойствам атомов, из к-рых состоит кристалл, и по его геом. структуре определить h как 3022-69.jpg, где Z- число валентных электронов в элементарной ячейке объёма v0. (табл. 3).

3022-70.jpg

Табл. 3. Плотность электронов проводимости h и энергия Ферми 3022-71.jpg ряда металлов

3022-72.jpg

Природа металлического состояния. MH. характерные свойства M. можно понять, считая, что электроны проводимости - идеальный вырожденный газ фермионое, а роль ионов сводится к созданию потенциальной ямы, в к-рой движутся электроны (модель Друде - Лоренца - Зоммерфельда; см. Друде теория металлов, Зом-мерфельда теория металлов). Темп-pa вырождения Tp электронного газа в этой модели определяется энергией Ферми 3022-73.jpg 3022-74.jpg:

(т - масса электрона). Тсмп-ра 3022-75.jpg К.

Поэтому практически при любой темп-ре T, при к-рой вещество существует в конденсиров. состоянии, электронный газ в M. вырожден 3022-76.jpg (см. Вырождения температура, Вырожденный газ).

Более полное и строгое объяснение свойств M. даёт зонная теория твёрдого тела. Зонная теория исходит из рассмотрения движения отд. электрона в периодич. поле сил 3022-77.jpg, создаваемых ионами кристаллич. решётки и остальными электронами (одноэлектронное приближение):


3022-78.jpg


где r - пространств, координата точки, a - период решётки (см. Блоховские электроны). Хотя энергия взаимодействия электронов друг с другом не меньше, чем энергия взаимодействия с ионами, одноэлектронное приближение имеет обоснование. Во-первых, 3022-79.jpg включает совокупное действие всех остальных электронов, кроме рассматриваемого, причём для качеств, выводов потенциал U(r )можно не конкретизировать, используя только его свойства симметрии (прежде всего периодичность). Во-вторых, построив одноэлектронное приближение, можно обобщить его, учтя взаимодействие между электронами проводимости (на основании теории ферма-жидкости).

Периодичность U(r )позволяет характеризовать стационарное состояние электрона проводимости квазиимпульсом 3022-80.jpg(3022-81.jpg- квазиволновой вектор), аналогичным импульсу частицы в свободном пространстве. Волновая ф-ция электрона в стационарном состоянии - решение Шрёдингера уравнения для электрона, отвечающая собств. значению энергии электрона 3022-82.jpg. И волновая ф-ция и собств. значение энергии (в отличие от случая свободного электрона) - периодич. ф-ции квазиимпульса. Периодичность в импульсном пространстве - следствие полной физ. эквивалентности состояний с квазиволновыми векторами, отличающимися на 3022-83.jpg. Это означает, что для полного описания всех состояний достаточно использовать 3022-84.jpgиз одной ячейки обратного пространства. Как правило, её выбирают в виде первой Бриллюэна зоны. Индекс s, нумерующий решения ур-ния Шрёдингера, наз. номером зоны, 3022-85.jpg - законом дисперсии электронов или электронным спектром кристалла, соответствующим полю 3022-86.jpg В каждой разрешённой эноргетич. зоне состояния электронов заполняют полосу между 3022-87.jpgи 3022-88.jpg. Зоны могут перекрываться, но их индивидуальность при этом сохраняется. Перекрытие зон, как правило, не сопровождается вырождением. Вырождение наступает при совпадении энергий (из разных зон) и квазиимпульсов. Вырождение накладывает ограничение на структуру изоэнергетич. поверхности вблизи точки вырождения. С помощью законов дисперсии можно рассчитать плотность электронных состоянии в зоне 3022-89.jpg

Сходство и различие между свободными электронами и электронами проводимости иллюстрируется табл. 4.


Табл. 4.

3022-90.jpg


3022-91.jpg

Рис. 1. Схема заполнения зон диэлектрика или полупроводника (а), металла (б), полуметалла (в). Жирные линии /(P)- заполненные состояния, тонкие - пустые; пунктир - уровень химического потенциала, совпадающий в металлах с энергией Ферми 3022-92.jpgпри 3022-93.jpg 3022-94.jpg- максимальный квазиимпульс, соответствующий границе зоны Бриллюэна.

Зонный характер спектра и Паули принцип позволяют сформулировать принципиальное отличие M. от диэлектрика. T. к. в каждую зону может «поместиться» не более 2N электронов (N - число ячеек в кристалле), то в зависимости от числа электронов, приходящихся на ячейку, и взаимного расположения зон могут осуществляться 2 случая: либо в осн. состоянии (при T= 0 K) имеются только целиком заполненные зоны и пустые (рис. 1, а), либо есть зоны, частично заполненные электронами (рис. 1, б, в). В первом случае кристалл - диэлектрик (или полупроводник), во втором - M. (рис. 1, в соответствует полуметаллу).


Поверхность Ферми. В M. граница заполнения уровней электронами попадает в разрешённую зону и наз. энергией Ферми 3023-1.jpgСоответствующая ей изоэнергетич. поверхность

3023-2.jpg

наз. поверхностью Ферми. Поверхность Ферми отделяет область занятых электронами состояний в импульсном пространстве от свободных.

Поверхность Ферми - обязат. атрибут металлич. состояния кристаллов. Если поверхность Ферми пересекает границы зоны Бриллюэна (напр., у Cu), то удобно использовать расширенное 3023-3.jpg -пространство. В этом случае отчётливо видна его периодичность. У щелочных металлов (Li, Na, К, Pb, Cs) поверхности Ферми - почти идеальные сферы. Это не означает, что электроны этих металлов не испытывают влияния ионов. Их эффективные массы 3023-4.jpgотличаются от массы свободного электрона т 0 (табл. 4), напр, у 3023-5.jpg

3023-6.jpg . У всех M., кроме перечисленных, а также у Au, Ag, Cu поверхности Ферми состоят из неск. полостей-листов и имеют сложную форму (рис. 2).

Из-за столкновений электронов с дефектами решётки, друг с другом, а также с фононами состояние электрона проводимости имеет конечное время жизни 3023-7.jpg Это означает, что мнимая часть ф-ции 3023-8.jpg отлична от 0: 3023-9.jpg . Это не лишает поверхность

3023-10.jpg
a


3023-11.jpg

Рис. 2. Поверхности Ферми W (ОЦК, a), Gd (гексагональная решётка, б).


Ферми 3023-12.jpg строго определённого смысла, т. к. 3023-13.jpg обязанная неупругим столкновениям (электронов с фононами или друг о другом), для электронов на поверхности Ферми равна О. Упругие столкновения со статич. дефектами приводят к "перемещению" электронов по поверхности Ферми. Если время жизни (т) электрона мало (много дефектов, высокая темп-pa), то строгое описание его движения с помощью закона дисперсии теряет смысл. При этом лишается смысла и т. н. тонкая структура поверхности Ферми (отклонение от сферичности), хотя подвижность электрона сохраняется - электроны проводимости остаются делокализован-ными (их длина пробега существенно превышает межатомное расстояние). Приближённое описание электронов в таких условиях возможно лишь с помощью модели Друде - Лоренца - Зоммерфельда.

Нек-рые свойства M. (гл. обр. в сильном магн. поле) очень чувствительны к форме поверхности Ферми ( де Хааза- вот Альфена эффект, Циклотронный резонанс, геом. резонанс и др.). Они позволили восстановить поверхность Ферми практически для всех моноатомных M. и MH. интерметаллич. соединений (AuAl2, AuGa2, CuZn, AuTe2I и др.). а также в большом числе случаев определить скорости фермиевских электронов Vp (щелочные, благородные M., Bi, Sb и др.).

Методы зонной теории (с использованием ЭВМ) позволили определить законы дисперсии с большой точностью. Все вычислит, методы основаны на приближении почти свободных электронов (модель Гаррисона, или метод псевдопотенциала) и (или) на т. н. приближении сильной связи. Они дают возможность выяснить происхождение отд. характерных деталей электронного спектра M.: наличие или отсутствие тех или др. листов поверхности Ферми, величину и зависимость плотности состояний от энергии 3023-14.jpg (рис. 3); значение скоростей электронов, а также величину эфф. потенциала (или псевдопотенциала), определяющего электронный энергетич. спектр конкретного M.

3023-15.jpg


При всей сложности законов дисперсии представление об электронах M. как лёгких (по сравнению с ионами) заряженных частицах качественно правильно. Оно, возвращая нас к модели Друде - Лоренца - Зоммер-фельда, даёт возможность оценивать порядок величины осн. характеристик M.- электронную теплоёмкость, эл.- и теплопроводность, толщину скин-слоя (см. Скин-эффект )ит. д. Правда, нек-рые соединения (CeAl3, CeCu6, CeCu2Si2, UB13 и др.) обнаруживают необычные свойства (напр., гигантскую электронную теплоёмкость), заставляющие сделать вывод, что в них есть электроны, обладающие аномально большой эфф. массой т3023-16.jpgЭти электроны получили назв. тяжёлых фермионов.

При 3023-17.jpgвсе электроны проводимости находятся на и внутри поверхности Ферми. Элементарные возбуждения электронной подсистемы M.- электроны с энергией 3023-18.jpg и дырки- свободные состояния с энергией 3023-19.jpgT. к. обычно 3023-20.jpg,то осн. роль в процессах переноса играют электроны и дырки с энергиями 3023-21.jpgИх закон дисперсии можно считать линейным:

3023-22.jpg

(up- скорость на поверхности Ферми). Энергию электрона 3023-23.jpgи дырки принято отсчитывать от 3023-24.jpg (скорость дырки -3023-25.jpg). Спектр электронов и дырок демонстрирует наличие разрешённых значений энергии над поверхностью Ферми (рис. 4, а).

При фазовом переходе электронный спектр M. (в частности, поверхность Ферми) изменяется. Если это переход 1-го рода, то новая поверхность не связана со старой. Если же это переход 2-го рода, то обе поверхности Ферми в момент перехода совпадают и можно проследить, как трансформируется поверхность. На рис. 5 показано снятие вырождения по спину и изменение поверхности Ферми при переходе M. из парамагн. состояния в ферромагнитное (поверхность Ферми - сфера). При переходе M. в сверхпроводящее состояние в спектре электронов возникает щель 3023-29.jpg- область запрещённых значений энергии (рис. 4, б), к-рая обеспечивает недиссипативный характер сверхпроводящего тока (см. Сверхпроводимость). Внеш. воздействие на M. (напр., давление) может привести к изменению связности поверхности Ферми: либо образуется новый лист, либо рвётся перемычка между листами. Это сопровождается аномалиями электронных характеристик. При 3023-30.jpg такой переход следует считать фазовым переходом 3023-31.jpg -го рода (см. Ван Хова особенности). Нек-рые фазовые переходы в M. связаны с межэлектронными взаимодействиями, к-рые приводят к возникновению волн зарядовой плотности или волн спиновой плотности, а также к вигнеровской кристаллизации.


3023-26.jpg

Рис. 4. Спектр электронных возбуждений 3023-27.jpga - в нормальном металле; б - в сверхпроводнике.

3023-28.jpg

Рис. 5. Изменение спектра электронов (а) и трансформация поверхности Ферми (б) при переходе металла в ферромагнитное состояние.

Исследования поверхности твёрдых тел привели к понятию двумерного электронного газа- искусств, двумерного M., обладающего рядом особенностей; напр., поверхность Ферми двумерного M.- линия, и все особенности, обусловленные её изменением в двумерном M., выражены отчётливее, чем в трёхмерном.

При достаточно высоких давлениях, когда объём, приходящийся на 1 атом, становится меньше обычных атомных размеров, атомы теряют свою индивидуальность и любое вещество превращается в сильно сжатую электронно-ядерную плазму, т. е. в своеобразный M. Металлизация любого вещества происходит при плотности 3023-32.jpgгде Z- ат. номер вещества. При таких плотностях большинство свойств вещества определяется вырожденным электронным газом.

Электрические свойства. Характерное свойство M. как проводников электрич. тока в нормальном (несверхпроводящем) состоянии - линейная зависимость между плотностью тока j и напряжённостью приложенного эле-ктрич. поля E (Ома закон):

3023-33.jpg

Тензор уд. электропроводности sik (или тензор сопротивления rik) - важнейшая характеристика M. Число независимых компонент тензора sik (или rik), а значит и тип анизотропии сопротивления, зависит от симметрии кристалла. Для кубич. кристаллов и нетекстуриров. поликристаллов тензор превращается в скаляр (табл.2).

Носители заряда в M.- электроны проводимости с энергией, близкой к 3023-34.jpgПричиной сопротивления служит рассеяние электронов на любых нарушениях периодичности кристаллич. решётки. Это тепловые колебания ионов (фононы), сами электроны (см. Межэлектронное рассеяние), а также разл. дефекты - примесные атомы, вакансии (сечение рассеяния 10-16-10-15 см -2), дислокации, (сечение 10-8-10-7 см -1), границы кристаллов и образца (см. Рассеяние носителей заряда).

Мерой проводимости служит длина свободного пробега (l )электронов:

3023-35.jpg


где 3023-36.jpg- площадь поверхности Ферми. Для сферич. поверхности Ферми

3023-37.jpg

(vF - скорость фермиевских электронов). При T = 3023-38.jpg см, с понижением T пробег l растёт, достигая (для специально очищенных образцов) 0,1-1 см. Соответственно возрастает проводимость. Отношение проводимости при T =0K (s0) к проводимости при 300 К (s300) характеризует совершенство и хим. чистоту M. Достигнутые значения 3023-39.jpg


3023-40.jpg


3023-41.jpg


Отсутствие корреляции между разл. механизмами рассеяния приводит к приближённому соотношению 3023-42.jpg где 3023-43.jpg- длина свободного пробега относительно определённого механизма рассеяния. Этим объясняется эмпирич. Маттиссена правило, согласно к-рому сопротивление конкретного образца M. есть сумма остаточного сопротивления р 0, обусловленного рассеянием на дефектах решётки (совпадает с r при T =0 K), и сопротивления идеального кристалла РИД, обязанного рассеянию на фононах и др. квазичастицах. Гл. причина температурной зависимости - рассеяние электронов на фононах. При 3023-44.jpg 3023-45.jpg- Девая температура)3023-46.jpgпричём типичное значение 3023-47.jpgпри T =300 К равно 3023-48.jpg При 3023-49.jpg фононная часть быстро стремится к О, что позволяет в ряде случаев выделить в зависимости r ид( Т )вклад рассеяния на электронах, к-рый пропорц, 3023-50.jpg (рис. 6).

Сопротивление сплавов и M. типа керамик значительно выше, чем у чистых M. Причина этого в нарушении идеальности решётки (разл. атомы в узлах решётки) и в её дефектности. Предельное уд. сопротивление M., достигаемое при Рис. в. Зависимость удельного сопротивления r от T. Точки - измеренные значения за вычетом остаточного сопротивления 8,8*10-10 Ом*см; сплошная линия - зависимость вида АТ 2+ BT 5, представляет сумму электрон-электронного и электрон-фононного вкладов.


3023-51.jpg

3023-52.jpg равно 3023-53.jpg (в трёхмерном случае) и 3023-54.jpg (в двумерном). В веществах с большим r возникает локализация электронных состояний - проводимость исчезает (см. Андерсоновская локализация). При этом исчезновение проводимости происходит не за счёт "связывания" электронов ионами - электроны остаются коллективизированными (в том смысле, что их волновая ф-ция "размазана" на расстояния, много большие атомных).

При плавлении подвижные электроны в M. сохраняются, поэтому сохраняется большая электропроводность, хотя разрушение дальнего порядка приводит к скачкообразному росту r (табл. 5; см. также Жидкие металлы). Исключение составляют Sb, Ga, Bi, у к-рых при плавлении r уменьшается (для этих M. плавление сопровождается увеличением плотности).


Табл. 5.- Отношение удельных сопротивлений в твёрдой (r т) и жидкой (r ж) фазах при температуре плавления


3023-55.jpg


Большинство M. при 3023-56.jpgК теряют сопротивление - переходят в сверхпроводящее состояние. Для таких M. зависимость r( Т )при 3023-57.jpgопределяют, разрушив сверхпроводящее состояние магн. полем 3023-58.jpg (см. Сверхпроводимость).

Теплоёмкость. Существование в M. вырожденного электронного газа большой плотности приводит к линейной зависимости теплоёмкости M. от Г при низкой темп-ре (рис. 7). Вклад электронов в теплоёмкость M.


3023-59.jpg


где gF- суммарная (по всем частично заполненным зонам) плотность электронных состояний при 3023-60.jpg Измерение C э- один из осн. методов определения 3023-61.jpg (табл. 6).


Рис. 7. Низкотемпературная теплоёмкость нормального ( С н) и сверхпроводящего ( С св) Al (при T < Tc значения С н измерены на образцах, в которых сверхпроводимость была разрушена магнитным полем).


3023-62.jpg


Табл. 6. - Значения постоянной а, определённые по электронной теплоёмкости C3


3023-63.jpg


Электроны проводимости вносят линейный по T вклад не только в теплоёмкость M., но и в его коэф. теплового расширения. Из-за этого в M. нарушается Грюнайзена закон: при низких темп-рах 3023-64.jpg константа в законе Грюнайзена определяется электронной подсистемой, а при высоких 3023-65.jpg- фононной (колебаниями решетки).


Теплопроводность, термоэлектрические явления. Электроны проводимости принимают участие не только в переносе электрич. заряда, но и в переносе тепла. Вследствие большой подвижности электронов теплопроводность M. велика. Величины электропроводности и электронной части теплопроводности M. l связаны соотношением ( Видемана- Франца закон):


3023-66.jpg


Оно выполняется тем лучше, чем строже столкновения электронов можно считать упругими (при 3023-67.jpg а также и при T =0K, когда осн. причина сопротивления - столкновения с дефектами кристалла). При наличии градиента темп-ры 3023-68.jpg в M. возникает электрич. ток, или связанная с 3023-69.jpg разность потенциалов (термоэдс). Из-за вырождения электронного газа коэф., описывающие термоэдс и др. термоэлектрич. эффекты, малы, однако их исследование позволяет обнаружить увлечение электронов тепловыми фононами. Взаимодействия внеш. возбуждённых в M. акустич. волн с электронами проводимости приводят к возникновению тока либо разности потенциалов, пропорц. интенсивности потока фононов (см. Акустоэлектрический эффект). Теплопроводность сплавов ниже теплопроводности чистых M.

Диамагнетизм и парамагнетизм M. Электроны проводимости обладают как парамагнитными (из-за наличия у каждого электрона собств. магн. момента), так и диамат, свойствами, обязанными квантованию движения электронов в плоскости, перпендикулярной магн. полю (см. Диамагнетизм). В теории Друде - Лоренца - Зоммерфельда (с эфф. массой т электрона вместо т 0) магнитная восприимчивость электронного газа равна:


3023-70.jpg


(m Б- магнетон Бора). Из ф-лы (3) видно, что электронный газ в зависимости от соотношения между т и т а может быть как диамагнитным, так и парамагнитным. Более строгое рассмотрение не изменяет этого вывода и оценки 3023-71.jpgпо порядку величины, табл. 7.

Табл. 7.- Магнитная восприимчивость c поликристаллических металлов при T =300 К


3023-72.jpg


В магн. восприимчивость M. вносят вклад и ионы: у непереходных M. ионы диамагнитны, а у переходных, как правило, парамагнитны (см. Магнетизм). Из-за вырождения электронного газа 3023-73.jpgпарамагн. восприимчивость электронного газа слабо зависит от T (см. Паули парамагнетизм). В сильном магн. поле 3023-74.jpg3023-75.jpg металлич. монокристаллов осциллирует как ф-ция 1/H с частотами, пропорц. площадям экстремальных сечений поверхности Ферми (эффект де Хааза - ван Альфена, см. Квантовые осцилляции в магнитном поле).

Нек-рые M. при понижении T переходят в магнито-упорядоченное состояние: в ферромагнитное (напр., Fe, Со, Ni), в антиферромагнитное (Ce, Mn) или в состояние с геликоидальной магнитной атомной структурой (напр., Cr, табл. 1). При этом электроны проводимости играют существ, роль в формировании магн. структур (см. Ферромагнетизм, Антиферромагнетизм). Упорядочение магн. моментов при понижении темп-ры - необязат. свойство осн. состояния M.; большинство непереходных металлов остаются парамагнетиками или диамагнетиками вплоть до T =0K.

Переход кристаллич. M. в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его магн. свойств: в сверхпроводящем состоянии M. в слабых нолях проявляет себя как диамагнетик. Из-за Мейснера эффекта ср. значение магн. поля в сверхпроводнике равно 0. В сверхпроводниках 1-го рода (Sn, Pb, In и др.) это выполняется вплоть до полей, разрушающих сверхпроводимость. В сверхпроводниках 2-го рода (Nb3Sn, NbTi и др.) в широком диапазоне H поле, не разрушая сверхпроводимости, проникает в объём в виде вихрей, что эффективно ослабляет диамагнетизм.

Эмиссия электронов. При нагревании M. до высоких темп-р наблюдается "испарение" электронов с поверхности M. (см. Термоэлектронная эмиссия). Число электронов, вылетающих из M. в единицу времени, пропорц. ехр (-W/kT), где W - работа выхода электрона из M. Величина W(2-5 эВ) у разл. M. (и даже на разных кристаллич. гранях одного M.) различна; W зависит от состояния поверхности. Приложив к M. сильное электрич. поле (~107 В/см), можно существенно увеличить эмиссию электронов за счёт того, что электроны покидают M. в результате туннельного прохождения (см. Автоэлектронная эмиссия). Различия в W обусловливают контактную разность потенциалов между разными M.

Гальваномагнитные и термомагнитные явления. Магн. поле 3023-76.jpgискривляя траекторию электронов в плоскости, перпендикулярной 3023-77.jpg влияет на все кинетич. коэф. (эл.- и теплопроводностей, термоэлектрические и др.) и приводит к ряду новых явлений: к Холла эффекту, маг-нетосопротивлению и др. Различают классич. и квантовые (осцилляционные) гальванотермомагнитные явления. При рассмотрении последних надо учитывать квантование движения электронов проводимости в плоскости, перпендикулярной 3023-78.jpgДля оценки классич. эффектов надо сравнивать ср. радиус орбиты электрона в магн. поле 3023-79.jpg с длиной пробега l, а для оценки квантовых - расстояние между уровнями энергии 3023-80.jpg с kT3023-81.jpg- циклотронная частота, т - эфф. масса в магн. поле; табл. 4). На зависимость кинетич. коэф. от 3023-82.jpg влияют особенности электронного энергетич. спектра M., в частности то, какой формой (топологией) обладает поверхность Ферми (см. Галъвано. <чагнитные явления, Термогалъваномаг-нитные явления). Даже не слишком большое магн. поле при низких темп-pax (~1 К) может изменить кинетич. свойства M., напр, в десятки тысяч раз увеличить поперечное (относительно H )сопротивление (Bi) или практически полностью "выключить" поперечную электронную теплопроводность M. (таким путём "выделяют" решёточную- фононную часть теплопроводности M.).

M. в переменном электромагнитном поле. При прохождении переменного тока частоты w в M. наблюдается неоднородное распределение тока по образцу: ток сосредоточен вблизи поверхности образца на расстоянии порядка 3023-83.jpg (см. Скин-эффект). Для Cu глу-

бина скин-слоя 3023-84.jpgсм при 3023-85.jpg

3023-86.jpg (см. Высокочастотная проводимость).


При падении эл.-магн. волны на поверхность M. скин-эффект проявляется как в том, что эл.-магн. поле затухает на глубине 3023-87.jpgтак и в том, что оно почти полностью отражается от поверхности M.: коэф. отражения

3023-88.jpg


Приведённые оценки справедливы в случае нормального скин-эффекта, когда 3023-89.jpgПри T =300 К эти условия выполняются вплоть до оптич. частот

3023-90.jpg см при 3023-91.jpg

При низких темп-pax и для чистых образцов M. условие l << d часто не выполняется (даже если 3023-92.jpg). При этом имеет место аномальный скин-эффект, при к-ром d и R не зависят от l, и тем самым от T.

При низкой темп-ре M., помещённый в достаточно сильное магн. поле 3023-93.jpg, обладает MH. свойствами, характерными для плазмы: в нём могут распространяться разнообразные слабозатухающие волны (геликоны, магнитоплазменные волны, допплероны и др.). Коэф. R"ощущает" циклотронный резонанс (при равенстве частоты поля 3023-94.jpgцелому кратному циклотронной частоты 3023-95.jpg (см. Плазма твёрдых тел). В нек-рых M. (напр., в щелочных) удаётся наблюдать электронный парамагнитный резонанс на электронах проводимости и спиновые волны.

Оптические свойства. Для эл.-магн. волн оптич. диапазона M., как правило, непрозрачны. Характерный блеск - следствие практически полного отражения света поверхностью M., обусловленного тем, что диэлектрическая проницаемость электронного газа e при оптич. частотах отрицательна. Диэлектрич. проницаемость M. 3023-96.jpg где 3023-97.jpg- диэлектрич. проницаемость ионного остова,3023-98.jpg- плазменная (ленгмюровская) частота электронов. Плазменные частоты могут быть экспериментально определены по характеристич. потерям энергии быстрых электронов (с энергией 3023-99.jpgпри прохождении через металлич. плёнку. Они теряют энергию на возбуждение плазмонов - квантов колебаний электронной жидкости с частотой 3023-100.jpg (табл. 8).


Табл. 8.- Энергия плазмона3023-101.jpg для некоторых металлов


3023-102.jpg


Наличием электронов проводимости обусловлено также экранирование в M. зарядов (напр., заряженных примесей) на характерном расстоянии 3023-103.jpg (Дебая - Хюккеля радиус), имеющем атомный масштаб. При взаимодействии света с электронами M. важную роль играет т. н. внутр. фотоэффект, т. е. вынужденные (за счёт поглощения фотонов) переходы электронов из зоны в зону. Как правило, именно внутр. фотоэффект определяет коэф. поглощения излучения видимого и УФ-диапазонов и изменение проводимости M. под воздействием света (см. Фотопроводимость). Чем выше 3023-104.jpg тем меньшую роль во взаимодействии света с M. играют электроны проводимости: для УФ- и рентг. диапазонов M. мало отличается от диэлектрика. Отражение плоскополяризов. света от поверхности M. сопровождается поворотом плоскости поляризации и появлением эллиптич. поляризации. Это явление используется для техн. целей и для определения оптич. констант M. (см. Металлооптика, Отражение света, Поляризация света).

Лит.: Крэкнелл А.,Квей Чонг Уонг, Поверхность Ферми, пер. с англ., M., 1978; Абрикосов А. А., Основы теории металлов, M., 1987.

M. И. Каганов, В. С. Эдельман.

Механические свойства. Многие M. и сплавы обладают одновременно высокой механич. прочностью и высокой пластичностью, что обусловливает их широкое применение в качестве конструкц. материалов. Изменение линейных размеров M. в результате пластич. деформации при T =300 К достигает десятков, а иногда сотен % (сверхпластичность).

Механич. свойства исследуют, измеряя зависимость механич. напряжение - деформация (рис. 8). Изменение формы образца в процессе деформации показано для трёх характерных участков диаграммы. Участок OA соответствует прямой пропорциональности между нагрузкой и удлинением и обратимости деформации (упругая область; см. Гука закон). На нелинейном участке AB нагрузка продолжает увеличиваться с меньшей скоростью, деформация необратима, но распределена равномерно по длине образца. На участке BC нагрузка уменьшается вследствие локального уменьшения поперечного сечения образца в его центр, части. Образование "шейки" характерно для пластичных M. В конце этого участка наступает разрушение (точка С).


3023-105.jpg


Сопротивление M. воздействию внеш. механич. сил описывается модулями упругости. Характерный порядок их величины для M.3023-106.jpg(1011 Н/м 2), различные компоненты тензора модулей упругости одного M. отличаются в неск. раз, а у разных M. могут отличаться в десятки раз. Поликристаллы при отсутствии текстуры в упругом отношении изотропны, и для описания их механич. свойств достаточно двух модулей, напр, модуля Юнга E и модуля сдвига G (табл. 9).

Табл. 9.- Модули упругости E и модули сдвига G (в Н/м 2) для металлических монокристаллов и поликристаллов

3023-107.jpg

Величина упругих модулей определяется межатомными взаимодействиями и потому коррелирует с энергией связи U, необходимой для разделения твёрдого тела на отд. нейтральные атомы при T =OK. Так, у VV энергия связи на 1 атом равна 3023-108.jpg

у Cs энергия связи 3023-109.jpg (у Cs - наименьший среди M. модуль сдвига). При увеличении темп-ры T модули упругости монотонно убывают, изменение модуля в интервале от 0 К до Т пл составляет ок. 50% исходного значения. В области упругого поведения в M. возможно проявление внутреннего трения.M. с низким уровнем внутр. трения, слабо рассеивающие энергию колебаний, используются при изготовлении акустич. резонаторов музыкальных инструментов.

Пластич. деформация M. осуществляется относит, сдвигом (скольжением) параллельных атомных плоскостей и двойникованием (см. Пластичность). Предел текучести в монокристаллах анизотропен и зависит от плоскости и направления, вдоль к-рых происходит скольжение. Совокупность плоскости и направления скольжения образует систему скольжения. В каждом кристалле существует система скольжения, в к-рой критич. величина внеш. напряжения для начала скольжения минимальна (напряжение лёгкого скольжения 3023-110.jpg табл. 10).


Табл. 10.- Напряжение лёгкого скольжения при 300 К


3023-111.jpg


В случае механич. двойникования происходит сдвиг области кристалла в положение, зеркальное относительно области, не испытавшей сдвиг. Механич. напряжение, необходимое для возникновения двойника, больше, чем для обычного скольжения. Время образования двойника составляет неск. мкс.

Теоретически сопротивление M. пластич. деформации и разрушению составляет 3023-112.jpg Экспериментально пластич. деформации и разрушение наблюдаются при напряжениях 3023-113.jpgЭто различие обусловлено существованием дислокаций. Движение дислокаций вдоль определ. плоскостей в кристалле обеспечивает сдвиг одной части кристалла относительно другой. Сопротивление решётки движению дислокаций (сила Пайерлса - Набарро) составляет 3023-114.jpg Силы Пайерлса - Набарро в M. с чисто металлич. связью малы, т. к. эта связь не является направленной и слабо меняется при изменении атомной конфигурации вблизи дислокации. В M. с компонентой ковалентной связи, имеющих объёмноцентриров. решётку, сопротивление скольжению несколько больше, однако всё же мало по сравнению с чисто ковалентными кристаллами (отсюда высокая пластичность).


Прочность и пластичность M. обусловлены также взаимодействием дислокаций между собой и с др. дефектами, примесями и их скоплениями, границами раздела фаз, включениями др. фаз. Величина этих взаимодействий пропорциональна G. В процессе развития пластич. деформации происходит "размножение" дислокации, к-рое приводит к затруднению их движения, т. е. к увеличению сопротивления металла пластич. деформации (деформационное упрочнение, или наклёп). Сопротивление M. пластич. деформации возрастает с увеличением степени деформации как 3023-115.jpg где 3023-116.jpg- плотность дислокаций. В отожжённых (недеформированных) металлич. кристаллах плотность дислокаций 3023-117.jpg, сильная пластич. деформация приводит к её увеличению до 1011-1012 см -2.

При 3023-118.jpgв пластич. деформации начинают играть существ, роль точечные дефекты, в первую очередь вакансии, к-рые, оседая на дислокациях, приводят к их выходу из плоскостей скольжения. Если этот процесс достаточно интенсивен, то деформация не сопровождается упрочнением: M. "течёт" с пост, скоростью при неизменной нагрузке (ползучесть). Релаксация напряжений и разрядка дислокац. структуры обеспечивают высокую пластичность M. при их горячей обработке. Отжиг сильно деформиров. металлич. монокристаллов нередко приводит к образованию поликристаллов с малой плотностью дислокаций внутри зёрен.

При увеличении плотности дислокаций образуются их скопления, являющиеся концентраторами внутр. напряжений. Вследствие этого в области скопления дислокаций могут образоваться микротрещины, рост к-рых приводит к разрушению. В отличие от др. твёрдых тел в M. достаточные для образования трещин внутр. напряжения развиваются при больших степенях пластич. деформации. В M. до разрушения в большинстве случаев происходит заметное развитие пластич. деформации, приводящее к ослаблению концентрации напряжений и торможению роста трещины (вязкое разрушение). Если движение дислокаций вблизи вершины трещины затруднено, концентрация напряжений ослабляется незначительно, происходит хрупкое разрушение.

Механич. характеристики M. можно изменять в широких пределах термич. и механич. обработкой, а также введением примесей (легированием). Улучшение механич. свойств M. основано на изменении условий движения, размножения и торможения дислокаций. В качестве материалов для изготовления конструкций чистые M. непригодны из-за их малой прочности. Напр., предел прочности Fe (техн. чистоты)3023-119.jpg 0,35 ГПа, тогда как высокопрочные легиров. стали (сплавы Fe с С и др. M.) имеют предел прочности от 1,5 до 4,5 ГПа (см. Механические свойства материалов).

Лит.: Бернштейн M. Л., Займовский В. А., Механические свойства металлов, 2изд., M., 1979; Физическое металловедение, под ред. P. Кана, П. Хаазена, пер. с англ., 3 изд., т. 3, M., 1987. В. С. Крапошин.


Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Смотреть что такое "МЕТАЛЛЫ" в других словарях:

  • МЕТАЛЛЫ — МЕТАЛЛЫ, простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами высокой электропроводностью (106 104 Ом 1?см 1), уменьшающейся с ростом температуры, высокой теплопроводностью, блеском, пластичностью, ковкостью и др. Свойства… …   Современная энциклопедия

  • МЕТАЛЛЫ — МЕТАЛЛЫ, химические элементы, обладающие высокой тепло и электропроводностью, атомы которых связаны в кристаллические решетки единственным в своем роде способом. Смеси таких элементов (СПЛАВЫ) также являются металлами. Около трех четвертей всех… …   Научно-технический энциклопедический словарь

  • Металлы — МЕТАЛЛЫ, простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами высокой электропроводностью (106 104 Ом 1´см 1), уменьшающейся с ростом температуры, высокой теплопроводностью, блеском, пластичностью, ковкостью и др. Свойства… …   Иллюстрированный энциклопедический словарь

  • МЕТАЛЛЫ — (греч.) вещества, обладающие в обычных условиях высокими электропроводностью (106 107 Ом 1 см 1, уменьшается с ростом температуры) и теплопроводностью, ковкостью, металлическим блеском и др. свойствами, обусловленными наличием в их… …   Большой Энциклопедический словарь

  • металлы — Простые вещ ва, обладающие в обычных условиях хар рными св вами: высокой электро и теплопроводностью, отрицат. темп рным коэфф. электропроводности, способностью хорошо отражать электромагн. волны, пластичностью. М. В. Ломоносов определял м. как… …   Справочник технического переводчика

  • Металлы — ассоциируются: золото с Солнцем, серебро с Луной, свинец с Сатурном, олово с Юпитером, железо с Марсом, ртуть с Меркурием, медь или латунь с Венерой. Металлы неблагородные олицетворяют чувственный мир человека невозрожденного, а золото… …   Словарь символов

  • Металлы — и металлоиды (хим.). М. называется группа простых тел,обладающих известными характерными свойствами, которые в типичныхпредставителях резко отличают М. от других химических элементов. Вфизическом отношении это по большей части тела твердые при… …   Энциклопедия Брокгауза и Ефрона

  • МЕТАЛЛЫ — МЕТАЛЛЫ, простые хим. вещества (элементы), обладающие комплексом характерных, б. или м. ясно выраженных физ. признаков, создающих благоприятные условия для их практического применения, как то: твердость, ковкость, специфический блеск, высокий уд …   Большая медицинская энциклопедия

  • МЕТАЛЛЫ — хим. элементы, доля которых в периодической системе элементов Менделеева составляет примерно 4/5; образует в свободном состоянии простые (см.) с металлической хим. связью. В природе М. встречаются в виде руд, реже в самородном состоянии. В… …   Большая политехническая энциклопедия

  • МЕТАЛЛЫ — в качестве элемента мифопоэтической системы М. могут функционировать в нескольких аспектах. Иногда (обычно в более поздних традициях) они образуют особый «металлический» код из 3 7 единиц, соотносимых с соответствующими единицами других… …   Энциклопедия мифологии

Книги

Другие книги по запросу «МЕТАЛЛЫ» >>


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.