Николаев О.С. Механические свойства жидких металлов.
Экстремальные свойства минимальных монокристаллов металлов

Оглавление первой части

Предисловие к первой части

В настоящей работе сделана попытка расширить представление читателей о прочностных характеристиках жидкостей. Представленные сведения не претендуют на полноту и окончательность. В учебной литературе вопросу определения механических свойств жидкостей уделяется очень мало внимания. Работа состоит из четырех глав.

В первой обзорной главе даются краткие сведения о строении жидкостей и перечень их основных свойств по литературным источникам. Производится сравнение некоторых физических свойств жидких и твердых тел.

Во второй главе приводятся основные законы и соотношения, характеризующие механические свойства тел. Хорошо известные закон Гука и изотермический коэффициент сжимаемости. Рассматривается связь механических свойств металлов с тепловыми параметрами. Приводятся приближенные способы оценок плотности металлов при температуре кипения, критической температуры и критической плотности, коэффициентов объемного расширения жидких металлов. Во всех случаях предполагается, что рассматриваются физические свойства чистых металлов.

Третья глава составляет исключение. Некоторые положения теплового способа определения механических характеристик металлов требуют экспериментального подтверждения. Проще всего это было сделать на примере хорошо доступной, безвредной жидкости, существующей в нормальных условиях и имеющей сравнительно небольшой температурный диапазон жидкого состояния. Этим требованиям удовлетворяет вода. Дополнительным доводом к рассмотрению свойств воды (нормального изотопного состава) явился тот факт, что многие ее физические свойства исследовались в первую очередь, по сравнению с другими веществами и, следовательно, давно известны.

Рассмотрены диаграмма состояния воды при малых давлениях, описаны свойства жидкого состояния с помощью уравнения Ван-дер-Ваальса, перечислены свойства критического состояния вещества и произведены оценки механических свойств воды по тепловым параметрам.

В четвертой главе тепловой способ оценки механических свойств жидкостей применен к целому ряду металлов, занимающих разные клетки периодической таблицы Д.И.Менделеева и обладающие каким-либо экстремальным физическим свойством.

Оценки механических свойств произведены для следующих металлов: лития, алюминия, бериллия, железа, вольфрама, ртути и франция. Во всех случаях, где это было возможно, производились сравнения расчетных и табличных значений рассматриваемых параметров металлов.

Принятая нумерация рисунков, таблиц и формул сквозная для одной главы. Например, запись "формула 2.7" означает, что ее нужно искать во второй главе, а ее номер семь. В начале первой главы приведен список обозначений, принятых в книге.

Содержание второй части

Введение ко второй части

Многие физические свойства макроскопических образцов металлов досконально исследованы. Результаты исследований приведены во многих справочниках и в специальной литературе. Однако, физические свойства систем состоящих из сотен или тысяч атомов малоизвестны или вовсе не известны. Настоящая работа посвящена физическим свойствам именно таких систем.

Прочностные свойства монокристаллов металлов, часто называемые "усами" известны давно. О других свойствах известно мало. Однако, практики, работающие с малым количеством вещества сталкивались с их необычными свойствами. В частности сообщали о том, что хрупкие тела в макроколичествах (стекло, фарфор, алмаз...), в микроколичествах начинают проявлять пластические свойства. Иначе говоря, изменяют свои физические свойства. Вот, например, что пишет по этому поводу в своей книге старший инженер Украинского института сверхтвердых металлов Н.С.Сядристый: "Именно пластичностью и объясняется, на мой взгляд, тот факт, что любые "хрупкие" вещества невозможно дробить до бесконечности, так как при определенном размере частичек вещество начинает вести себя пластично, во всем микроскопическом объеме, а не только по поверхности, как предполагает П.А.Ребиндер".

Физические свойства вещества в микроколичествах отличаются от тех же свойств, когда это же вещество имеется в макроколичествах. К таким свойствам в первую очередь нужно отнести пластичность, прочность, теплопроводность, электропроводность, теплоту плавления, температуру плавления и другие.

Совсем недавно вышла книга инженера-металлурга С.И.Венецкого, в которой сообщаются интересные факты. Канадские физики с помощью электронного микроскопа исследовали мельчайшие частицы индия. Они установили любопытный факт: "Когда размер частиц индия становится меньше некоторой величины, его температура плавления резко понижается. Так, если размер частиц не превышает 30 ангстрем, то они плавятся при температуре чуть выше 40^o С, в то время как обычно это происходит при 156^o С. Столь значительный скачок представляет для ученых несомненный интерес. Но происхождение этого эффекта, даже для видавшей виды современной физики, пока остается загадкой: ведь теория процессов плавления разрабатывалась применительно к большим массам вещества, а в опытах канадских физиков расплавлялись "гомеопатические" дозы индия – всего несколько тысяч атомов".

Объяснению этого факта, а также причин изменения свойств вещества в микроколичествах посвящена эта работа. В ее основе лежит простое предположение. Физические свойства образцов металла изменяются при переходе от макроколичеств к микроколичеству по причине изменения соотношения утраченных и оставшихся связей. Поскольку термин "микроколичество вещества" расплывчат, вводится вполне обоснованный, термин "минимальный монокристалл" – ММК. Этим термином называется количество вещества в интервале масс (или геометрических размеров), где поверхностные атомы кристаллов, утратившие часть своих межатомных связей, существенно влияют на их физические свойства таким образом, ММК характеризует и количество вещества и его упорядоченную структуру.

По этой причине в работе сначала рассматриваются отвлеченно свойства кубических решеток металлов с точки зрения утраченных и оставшихся атомных связей, а затем сделан переход к определению физических свойств этих же структур для конкретных металлов. В качестве этих металлов выбраны алюминий, ванадий, молибден, индий и полоний.

Опечатки

Об авторе

Николаев Олег Семенович

Физик, окончил Харьковский госуниверситет. Преподавал физику в средней школе, на подготовительных курсах и в Университете имени В. Даля. Длительное время работал в должности старшего научного сотрудника НИИ управляющих вычислительных машин. Занимался исследованиями физических свойств и режимами применения новых полупроводниковых приборов и интегральных схем в изделиях вычислительной техники. Несколько лет проработал начальником лаборатории физико-химических исследований в НПК «ТЕМП». Организовал измерения электрических параметров и исследование оптимальных режимов поляризации пьезокерамических элементов различных типов. Является автором около 30 печатных работ, среди них 13 монографий, в том числе по физике прочности чистых металлов.