ВВЕДЕНИЕ

Появление новых отраслей техники — атомной, электронной, ракетно-космической — выдвигает многообразные и непрерывно возрастающие требования к неорганическим материалам, в том числе металлическим. Часто решение задач, связанных с этими требованиями, достигается применением редких металлов, их сплавов и соединений. Требования современной техники и вызвали к жизни появление новой отрасли — промышленности редких металлов, а также соответствующего направления науки — физикохимии и металловедения редких металлов и сплавов, в основе которого лежат разработка теоретических основ создания новых материалов на основе редких металлов с заданным комплексом физических свойств, методов их получения и обработки, а также изыскание областей промышленного использования.

Как показывает опыт, в комплексе методов, используемых металловедением, ведущее место занимает физико-химический анализ металлических систем, т. е. систематическое исследование физических свойств сплавов в зависимости от изменения их химического и фазового состава.

Физико-химический анализ как научное направление сформировался в начале XX в. Его основоположник академик Н. С. Курнаков писал: «Совместной непрерывной работой теории и эксперимента на наших глазах раскрывается новая пограничная область химического знания, которая имеет целью определение химической природы одно- и поликомпонентных систем на основании изучения соотношений между составом и физико-химическими свойствами. Эту область можно назвать физико-химическим анализом. Являясь по сущности своей задачи одной из глав теоретической химии, физико-химический анализ имеет бесчисленные приложения в пограничных науках и технике».

Надо отметить, что, используя даже сравнительно простые физические измерения и опираясь на фундаментальные законы термодинамики, физико-химический анализ позволил сделать глубокие выводы и обобщения. Достаточно сказать о природе твердых растворов и химических соединений.

Наибольший вклад в представления о природе металлических фаз и условиях их образования внесли в нашей стране Н. С. Курнаков, С. Ф. Жемчужный, Н. И. Степанов, Г. Г. Уразов, С. А. Погодин, В. Я. Аносов, А. В. Николаев, И. В. Тананаев, Н. В. Агеев, С. Т. Конобеевский, А. А. Бочвар, И. И. Корнилов и др.; из иностранных ученых — В. Юм-Розери, Н. Мотт, О. Кубашевский, К. Гшнейднер, А. Даркен, Р. Гурри, П. Бек, Ф. Лавес, Б. Новотный и др.

Сила физико-химического анализа в его классической форме состоит в том, что получаемые посредством его выводы, основанные на данных опыта и математическом анализе, не зависят ни от каких гипотетических представлений о строении вещества. Путем геометрического анализа химических диаграмм можно только установить, какие превращения протекают в данной системе, но нельзя ответить на вопрос, как и почему они протекают. Однако на современной стадии развития физико-химического анализа его результаты все чаще связываются с данными теоретической физики и химии, используется новейшая экспериментальная техника, в том числе и ЭВМ. Характер физико-химического взаимодействия компонентов анализируется на основе электронного строения свободных атомов, а также электронного строения твердого тела (зоны Бриллюэна, поверхности Ферми и т. д.). С помощью этих представлений уже делаются попытки прогноза и расчета физических свойств отдельных фаз. Связь физико-химического анализа со статистической физикой, электронной теорией металлов и квантовой химией позволяет в известной мере не только объяснить, почему и как протекают физико-химические процессы, но и подойти к расчету диаграмм состояния, прогнозу возникающих при взаимодействии компонентов фаз, реакций, которые возникают между ними, к расчету физических свойств. Все это значительно сокращает объем экспериментальной работы по построению диаграмм состояния и созданию на этой основе новых сплавов с заданными физическими свойствами.

Разработка методов расчета физических и химических свойств позволяет в ряде случаев на только теоретически определить свойства металлических сплавов того или иного состава, но и понять природу происходящих процессов, так как расчет строится на определенной физической модели. Примером могут служить представления о зонной структуре энергетического спектра электронов, поверхности Ферми. Разработка и применение метода псевдопотенциалов к расчету электрических и упругих характеристик для щелочных и поливалентных металлов развили дальше представления об электронной структуре (экранирующее действие внутренних электронов, разделение электронов на внутренние и валентные, представления о самосогласованном поле и среднем потенциале при электрон-электронном взаимодействии).

Наука о металлах и сплавах впитывает в себя все достижения естественных фундаментальных наук, в первую очередь физики и химии. Можно сказать, что металловедение или физикохимия металлов — это синтез физики металлов и химии металлических сплавов.

Основные принципы и закономерности физико-химического анализа в равной степени справедливы как для неорганических, так и для органических веществ.

В настоящей монографии авторы пытались в физико-химическом аспекте изложить материал о редких металлах и сплавах. Редкие металлы охватывают обширную группу элементов периодической системы: рассеянные элементы (индий, галлий, рений), редкоземельные металлы (скандий, иттрий, лантаниды), переходные тугоплавкие металлы IVA — VIA групп, платиновые и трансурановые металлы. Каждая из перечисленных групп металлов характеризуется специфическими физическими и химическими свойствами, имеет свои области применения в современной технике. В монографии рассматриваются в основном редкие металлы, относящиеся к IVA — VIA группам периодической системы, рений, платиновые и редкоземельные металлы. Большинство из перечисленных элементов характеризуется тугоплавкостью и высокой химической активностью. На примере этих объектов авторы хотели показать, что идеи физико-химического анализа не устарели. Без них невозможен научно обоснованный подход к вопросам разработки сплавов с заданными физическими свойствами, методов и режимов их плавки, литья, пластической деформации, термической обработки, очистки веществ, синтезирования монокристаллов и т. д.

Необходимо дальнейшее углубление исследований в этом направлении: изучение фаз на современном физическом уровне, привлечение дислокационных представлений, учет кристаллографических дефектов и ориентаций при исследовании диаграмм состав — свойство на монокристаллах, определение констант чистейших металлов, привлечение новейших методов анализа состава и строения веществ, использование ЭВМ для управления экспериментом и обработки данных и т. д.

Научно-исследовательские работы в области редких металлов и сплавов, в том числе на монокристаллическом уровне, резко увеличили объем знаний в области металловедения и физико-химического анализа, способствовали дальнейшему развитию экспериментальной техники и теоретических методов расчета сплавов, привлечению смежных наук к решению задач физико-химического анализа, позволили разработать ряд металлических материалов со свойствами, необходимыми для современной техники.

Назад, на страницу описания