В монографии обобщены результаты работ российских и зарубежных исследователей по получению, структуре и свойствам монокристаллов тугоплавких и редких металлов. Значительное место занимают экспериментальные исследования авторов.
Показана роль монркристаллов в науке и технике, приводятся конкретные примеры их применения. Излагаются современные представления о реальном строении металлических монокристаллов. Рассматриваются особенности кристаллизации многокомпонентных тугоплавких металлических систем. Приводятся основные методы выращивания металлических монокристаллов. Значительное внимание уделено плазменно-дуговой зонной плавке. Описано 'технологическое оборудование, позволяющее получать крупные металлические монокристаллы высокой чистоты, а также монокристаллы заданного профиля (трубы, пластины). Показана возможность использования при плазменно-дуговой плавке металлических порошков и плазмы щелочных металлов. Значительное внимание уделено влиянию различного рода внешних воздействий на стабильность структуры и свойств металлических монокристаллов. Показано их преимущество в стабильности перед соответствующими поликристаллами технической чистоты. В отдельной главе излагаются вопросы пластической деформации металлических монокристаллов.
Издание рассчитано на металлургов, металловедов, металлофизиков, занимающихся получением и исследованием монокристаллов тугоплавких и редких металлов, их сплавов и соединений, а также на специалистов других профилей, интересующихся применением монокристаллов в технике. Монография может быть полезна студентам и аспирантам металлургических и химических вузов.
Табл. 38. Илл. 185. Библ. 427 назв.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Работы по получению и исследованию металлических монокристаллов начались на рубеже XIX —XX вв. Это были монокристаллы легкоплавких металлов, представляющие интерес исключительно как объекты фундаментальных исследований. На протяжении всего XX в. интерес к металлическим монокристаллам то ослабевал, то вновь усиливался. Результаты исследований публиковались в самых разных журналах. Обобщающие монографии, сборники трудов научных конференций были посвящены лишь отдельным аспектам фундаментального исследования процессов роста монокристаллов, их свойств, процессов, протекающих в твердой фазе.
Особенно следует отметить монографию В. Бооса и Е. Шмидта «Пластичность кристаллов, в особенности металлических» (М.: ГОНТИ, 1938); статью Д.Б. Хёрла «Механизмы роста металлических монокристаллов из расплава» в сборнике «Процессы роста и выращивания монокристаллов», (М.: Изд-во иностр. лит., 1968); монографии У. Вайнгарда «Введение в физику кристаллизации металлов» (М.: Мир, 1967) и Б. Чалмерса «Теория затвердевания» (М.: Металлургия, 1967).
Резко возрос интерес к металлическим монокристаллам в 60—70-е годы в связи с развитием электроники и атомной энергетики. Увеличивается число изделий, получаемых в виде монокристаллов, выращиваются и исследуются монокристаллы тугоплавких и редких металлов. На их основе разрабатываются принципиально новые материалы.
Первая отечественная монография «Монокристаллы тугоплавких и редких металлов и сплавов» Е.М. Савицкого и Г.С. Бурханова вышла в издательстве «Наука» в 1972 г.
За прошедшие с этого момента три десятилетия достигнуты значительные успехи в технике выращивания монокристаллов. Получены крупные монокристаллические слитки тугоплавких металлов, синтезированы монокристаллы самых тугоплавких веществ — карбидов тантала и гафния с температурой плавления 3800 и 3900 °С соответственно (выше, чем у вольфрама). На 1 — 2 порядка снижено содержание примесей и повышено совершенство структуры монокристаллов. Появляется интерес к высокочистым и моноизотопным металлическим монокристаллам. Развитие получили теория и практика целенаправленного легирования металлических монокристаллов, особенно тугоплавких. При этом удалось обеспечить однородность распределения легирующих элементов по объему монокристаллов.
На основе монокристаллов тугоплавких, платиновых, редкоземельных металлов и их сплавов созданы новые материалы, отвечающие жестким требованиям по чистоте и совершенству строения, изотопному составу, отклонению от заданной ориентации, геометрии и шероховатости поверхности.
Значительно расширился круг объектов и свойств, изучаемых в монокристаллическом состоянии. Большой интерес проявляется к эмиссионным, оптическим, сверхпроводящим и каталитическим свойствам.
Металлические монокристаллы, бесспорно, займут достойное место среди материалов XXI в. В предлагаемой вниманию читателей монографии обобщены результаты исследований применения этих материалов.
Первая глава посвящена настоящему и перспективному применению металлических монокристаллов.
Во второй главе узловым является вопрос об особенностях химической связи в металлах и ее влиянии на формирование тонкой структуры монокристаллов, которая в значительной мере определяет их свойства.
В третьей главе рассмотрено получение монокристаллов из паровой фазы, расплава и перекристаллизацией в твердой фазе. В лабораторной практике и в промышленности наибольшее развитие получили методы выращивания металлических монокристаллов из расплава; этим методам уделено наибольшее внимание.
Излагаются результаты, связанные с дальнейшим развитием теории кристаллизации. Приводятся новые данные по коэффициентам распределения для большого числа систем, содержащих тугоплавкие и редкоземельные металлы. Впервые применительно к тугоплавким системам излагаются экспериментальные данные по концентрационному переохлаждению — узловому вопросу в технике выращивания монокристаллов. Рассматриваются условия перехода от плоского фронта кристаллизации к ячеистому, автоколебательная кристаллизация, анизотропия скорости роста, эффект смены кристаллографической ориентации. Приводятся результаты дальнейшего развития теории зонной плавки, позволяющие оптимизировать ее режимы.
Четвертая глава посвящена развитию нового метода получения монокристаллов тугоплавких металлов — плазменно-дуговой зонной плавке. Рассматриваются вопросы использования металлического порошка в качестве исходного материала при получении монокристаллов, плазменного легирования. Особый интерес представляет использование плазмы щелочных и щелочноземельных металлов, которая может иметь многофункциональное назначение (плавление, легирование, раскисление, защитная атмосфера).
Использование плазменно-дуговой зонной плавки позволило не только снизить содержание примесей, но и получить крупные монокристаллы тугоплавких металлов (диаметром до 50 и длиной более 300 мм), а также монокристаллы металлических веществ с температурой плавления выше, чем у вольфрама (некоторые карбиды, бориды). Рассмотрению этих вопросов посвящены отдельные разделы.
Описано технологическое оборудование плазменно-дугового метода, позволяющее использовать порошок, плазму щелочных металлов, а также получать монокристаллы тугоплавких металлов заданного профиля (пластины, трубы).
В пятой главе приводятся данные о структуре монокристаллов металлов, рассматриваются все имеющиеся методы ее исследования. Описывается структура монокристаллов разных металлов.
В шестой главе представлены результаты исследования структуры и свойств монокристаллов сплавов тугоплавких металлов и металлических соединений.
В седьмой главе монографии рассмотрены свойства металлических монокристаллов, их зависимости от примесного состава, кристаллографической ориентации, структуры монокристаллов. Показано, что получение металлических веществ в виде монокристаллов создает дополнительные возможности для управления свойствами.
В заключительной, восьмой главе рассматриваются аспекты пластической деформации металлических монокристаллов, основные механизмы пластической деформации и факторы, влияющие на них (примеси, температура, скорость деформации, кристаллографическая ориентация), изменения структуры и свойств в процессе пластической деформации.
Авторы благодарят к.т.н. В.М. Кириллову и М.Е. Дианова, выполнивших большую работу по подготовке рукописи к печати.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие....................................................................................3
Введение ........................................................................................ 6
Глава 1. Металлические монокристаллы в науке и технике ...............9
1.1. Физика твердого тела и ядерная физика.............................9
1.2. Приборе- и машиностроение.............................................13
1.3. Производство металлических монокристаллов....................27
Глава 2. Кристаллическая структура и межатомная связь................30
2.1. Кристаллические и аморфные тела....................................30
2.2. Типы кристаллических структур и физические модели металлов..........................................................................30
2.3. Примеси и дефекты кристаллической структуры в металлах... 40
2.4. Химическая связь и ее влияние на формирование структуры металлических монокристаллов..........................45
Глава 3. Способы получения металлических монокристаллов...........47
3.1. Выращивание из паровой фазы.........................................47
3.2. Выращивание из расплава................................................51
3.3. Получение металлических монокристаллов перекристаллизацией в твердой фазе...................................................89
Глава 4. Использование плазменно-дугового нагрева.......................98
4.1. Свойства и способы получения дуговой плазмы ..................98
4.2. Плазменно-дуговой метод получения монокристаллов тугоплавких металлов.....................................................111
4.3. Крупные монокристаллы вольфрама и молибдена.............ИЗ
4.4. Монокристаллы вольфрама и молибдена заданного профиля 117
4.5. Использование металлического порошка для получения монокристаллов вольфрама.............................................120
4.6. Монокристаллы карбидов и боридов переходных металлов 130
4.7. Направленная кристаллизация тугоплавких эвтектик........139
4.8. Повышение эффективности очистки и совершенства структуры монокристаллов..............................................146
4.9. Плазменное легирование расплавов тугоплавких металлов 151
4.10. Технологическое оборудование......................................155
Глава 5. Структура металлических монокристаллов .......................168
5.1. Методы исследования структуры.....................................168
5.2. Строение монокристаллического слитка...........................176
5.3. Влияние внешних воздействий на микроструктуру монокристаллов..............................................................188
Глава 6. Монокристаллы сплавов тугоплавких и редких металлов .....218
6.1. Система молибден — ниобий ............................................219
6.2. Система молибден —тантал.............................................225
6.3. Система вольфрам —тантал.............................................225
6.4. Система вольфрам — молибден.........................................226
6.5. Система молибден — рений..............................................226
6.6. Система вольфрам — рений..............................................231
6.7. Система ниобий — цирконий............................................233
6.8. Система медь —цинк.......................................................235
6.9. Монокристаллы металлических соединений......................236
Глава 7. Свойства металлических монокристаллов.........................242
7.1. Механические свойства ..................................................242
7.2. Кинетические свойства...................................................251
7.3. Тепловые свойства.........................................................259
7.4. Магнитные свойства.......................................................261
7.5. Термоэмиссионные свойства............................................263
7.6. Сверхпроводимость........................................................267
7.7. Оптические свойства......................................................269
Глава 8. Пластическая деформация металлических монокристаллов . 274
8.1. Существующие представления о механизмах процесса ......274
8.2. Влияние разных факторов на пластическую деформацию монокристаллов.......................................................279
Библиографический список............................................................299
Цена: 300руб.
