Взаимосвязь между внешне проявляющимися свойствами материалов и их внутренним строением, страница 7

скажем, масло и вода. (В этом смысле большинство материалов представляют собой композиты, т. е. смеси.) В идеальных условиях все фазы находятся в равновесии. На практике же мы имеем дело с условиями, далекими от идеальных. Когда материал, будь то глина или сталь, нагревают, подвергают обработке и охлаждают, он может переходить в различные неравновесные состояния. В самом деле, большинство используемых в промышленности материалов подвергается продолжительной обработке, при которой они проходят через неравновесные состояния, а затем в готовых изделиях остаются в «метастабильном» состоянии.

Закалка стали, например, задерживает равновесную реакцию между атомами железа и углерода и в результате «замораживает» материал в таком состоянии, в котором он не «хотел» бы оставаться. Хотя дифференциальная закалка уже давно исчественных сталей, но из-за недостатка теоретических знаний эффективное управление процессом производства традиционных материалов и синтез новых материалов вначале можно было осуществлять преимущественно путем изменения их химического состава. В конце концов более глубокое понимание идеализированных равновесных состояний, и отклонений от них, приводящих к метастабильным состояниям, сделало возможным изменять структурные конфигурации путем управления процессом производства.

ЦВЕТНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ, изображенные на этой фазовой диаграмме, полученной в Научной лаборатории в Алкоа, показывают, какие фазы будут присутствовать в сплаве алюминия, магния и кремния с заданными пропорциями этих элементов, если его термически обработать при определенной температуре. На вертикальной оси отложены значения температуры; на двух горизонтальных осях откладываются количества содержания кремния и магния. Имеются три фазы: основной элемент алюминий (А), магниево-кремниевый (Мф Si) осадок и твердый раствор кремния (Si). В трехмерном пространстве области над оранжевой поверхностью соответствует только фаза алюминия (до точки плавления алюминия 660 о с); области между оранжевой и зеленой поверхностями — две фазы — алюминия и магниево-кремниевого осадка; области между зеленой и синей поверхностями — все три фазы, а области между синей и розовой поверхностями — только две фазы — алюминия и кремния. Интерактивная компьютерная программа, с помощью которой построена эта диаграмма, разработана Д. Чакрабарти и Ш. Рамсеем.

Различные специальные режимы термической обработки стали в твердом состоянии позволяют, например, получать разнообразные структурные конфигурации. К ним относятся такие метастабильные фазы, как мартенсит, который отличается высокой прочностью и твердостью. Фактически именно благодаря широкому разнообразию свойств стали, которые

ветвящиеся кристаллические образования, называемые дендритами. Эти образования возникают вследствие того, что в процессе затвердевания многокомпонентного материала одна фаза затвердевает первой. По мере того как объем твердой фазы увеличивается, локальные условия переноса тепла и массы на расширяющейся границе раздела фаз ведут к образованию дендритов, пространство между которыми в конечном итоге заполняется этой же фазой или фазами, которые затвердевают медленнее. С увеличением скорости охлаждения промежутки между дендритами становятся меньше. (К слову сказать, корреляция между величиной промежутков, разделяющих дендриты, и скоростью охлаждения может служить мерой скорости, с которой охлаждался образец, параметра, нелегко поддающегося точному определению.)

Более тонкая микроструктура, получаемая при умеренном увеличении скорости охлаждения, обусловливает появление новых свойств. Современная технология позволяет достигать исключительно высоких скоростей охлаждения — до млн. или даже 1 млрд. градусов в секунду. При таких условиях образование отдельных фаз полностью исключается, и в результате получаются однофазные микрокристаллы исключительно малых размеров или даже аморфный материал, подобный стеклу. Если сочетать контроль химического состава, опираясь на возможность получения широкого разнообразия структур, достигаемую за счет быстрого затвердевания, то в принципе можно добиться практически любых свойств. При этом удается не только получать материалы с повышенной прочностью, твердостью, вязкостью, износоустойчивостью и коррозионной стойкостью, но и, например, с заданным характером поведения в магнитном поле.