Анизотропия и изотропия металлов

Обновлено: 02.07.2024

Из изложенного выше уясним, что характерные признаки металлов обусловлены их внутренним строением, т. е. структурой. Геометрическая правильность расположения атомов в кристаллических решётках придаёт металлам особенности, которых нет у аморфных тел.

1.Первой особенностью металлов является анизотропия свойств кристаллов, т. е. различие свойств кристаллов в разных направлениях.

Свойства тела зависят от природы атомов, из которых оно состоит, и от силы взаимодействия между этими атомами. Силы взаимодействия между атомами в значительной степени определяются расстояниями между ними. В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве расстояния между атомами в различных направлениях равны, следовательно, свойства будут одинаковые, то есть аморфные тела изотропны.

В кристаллических телах атомы правильно располагаются в пространстве, причем по разным направлениям расстояния между атомами неодинаковы, что предопределяет существенные различия в силах взаимодействия между ними и, в конечном результате, разные свойства. Зависимость свойств от направления называется анизотропией

Чтобы понять явление анизотропии необходимо выделить кристаллографические плоскости и кристаллографические направления в кристалле.

Плоскость, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографической плоскостью.

Прямая, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографическим направлением.

Для обозначения кристаллографических плоскостей и направлений пользуются индексами Миллера. Чтобы установить индексы Миллера, элементарную ячейку вписывают в пространственную систему координат (оси X,Y, Z – кристаллографические оси). За единицу измерения принимается период решетки.

Рис.1.3. Примеры обозначения кристаллографических плоскостей (а) и кристаллографических направлений (б)

Для определения индексов кристаллографической кристаллографической плоскости необходимо:

· установить координаты точек пересечения плоскости с осями координат в единицах периода решетки;

· взять обратные значения этих величин;

· привести их к наименьшему целому кратному, каждому из полученных чисел.

Полученные значения простых целых чисел, не имеющие общего множителя, являются индексами Миллера для плоскости, указываются в круглых скобках. Примеры обозначения кристаллографических плоскостей на рис. 1.3 а.

Другими словами, индекс по оси показывает на сколько частей плоскость делит осевую единицу по данной оси. Плоскости, параллельные оси, имеют по ней индекс 0 (110)

Ориентация прямой определяется координатами двух точек. Для определения индексов кристаллографического направления необходимо:

· одну точку направления совместить с началом координат;

· установить координаты любой другой точки, лежащей на прямой, в единицах периода решетки

· привести отношение этих координат к отношению трех наименьших целыж чисел.

Индексы кристаллографических направлений указываются в квадратных скобках [111]

В кубической решетке индексы направления, перпендикулярного плоскости (hkl) имеют те же индексы [hkl].

У металлических тел анизотропия свойств не выражена так резко, как у отдельных кристаллов. Металлы являются поликристаллическими телами, т. е. они состоят не из одного, а из бесчисленного количества кристаллов, по-разному ориентированных. Произвольность ориентировки каждого кристалла приводит к тому, что в любом направлении располагается приблизительно одинаковое количество различно ориентированных кристаллов. В результате получается, что свойства поликристаллических тел будут одинаковы во всех направлениях -----это явление получило название «квазиизотропия» (ложная изотропия).

2.Второй особенностью металлов как тел кристаллического строения является наличие у них плоскостей скольжения (спайности).

По этим плоскостям происходит сдвиг или отрыв (разрушение) частиц кристаллов под действием внешних усилий. У аморфных тел смещение частиц происходит не по определённым плоскостям, а беспорядочно. Излом аморфного тела всегда имеет неправильную, искривлённую форму.

3.Третьей особенностью металлов как тел кристаллического строения является то, что процесс перехода их из твёрдого состояния в жидкое и наоборот происходит при определённой температуре, называемой температурой плавления (затвердевания). Аморфные тела переходят в жидкое состояние постепенно и не имеют определённой температуры плавления.

Понятие об изотропии и анизотропии. Особенности металлов, как тел имеющих кристаллическое строение

Анизотропия и изотропия металлов

Анизотропия (от др. uреч. ἄνισος — неравный и τρόπος — направление) - зависимость свойств материала (например, механических: предела прочности, относительного удлинения, твердости, износостойкости и др.) от направления внутри этого материала. Если материал изотропен, то его свойства одинаковы во всех направлениях.

Металлография тесно связана с вопросами анизотропии. По некоторым свойствам материал может быть изотропен, по другим — анизотропен. Материалы могут отличаться степенью анизотропии. Вопрос анизотропности материала связан с выбором направления внутри этого материала. В одном направлении материал может рассматриваться как анизотропный, в других – как изотропный. Анизотропия в металлографии может рассматриваться на разных масштабных уровнях. Например, на микроуровне (внутри зерна) материал может быть анизотропен, а на другом - изотропен (например в объеме образца).

Анизотропия может быть разделена на естественную и искусственную.

Примером естественной анизотропии на микроуровне является анизотропия элементарной кристаллической ячейки. Если рассматривать отдельные направления внутри элементарной ячейки, то проявляется анизотропия: различные направления имеют различные свойства на масштабном уровне, определяющемся размерами кристаллической решетки. В качестве примера можно привести монокристалл медного купороса (рис.1). Степень анизотропии кристаллов кубической сингонии гораздо выше. Если рассматривать направления осей x, у и z, то монокристалл поваренной соли изотропен (рис.1б). Овализованный кристалл поваренной соли имеет изотропную форму.


а	б

Рисунок 1. Гидратированные кристаллы медного купороса (а); естественный и овализованный кристаллы хлорида натрия (б).

Плотность и удельная теплоёмкость у всех кристаллов не зависят от направления. Анизотропия остальных физических свойств кристаллов тесно связана с их симметрией и проявляется тем сильнее, чем ниже симметрия. Например, усилие сдвига, скорость роста или растворения кристалла зависят от направления. Пример анизотропной структуры электролитического покрытия меди представлен на рис. 2. Кристаллиты покрытия растут на подложке в определенном направлении и все они ориентированы в пространстве одинаково. Скорость роста кристаллов максимальна в направлении, перпендикулярном подложке.

Рисунок 2. Структура электролитического покрытия меди.

Молекулярные кристаллы (белки или полимеры) также являются анизотропными объектами. Изделия, созданные на основе полимеров могут быть как анизотропными (например искусственные нити для производства тканей), так и изотропными (изделия, получаемые при горячем формообразовании полимерных порошков). Сам порошок (рис.3) можно считать изотропным.

Рисунок 3. Порошок политетрафторэтилена; освещение по методу темного поля.

Помимо белков, естественная анизотропия свойственна другим материалам биологического происхождения. Например: слюда, костные и мышечные ткани человека и животных, древесина и листья, трава и т.д.
Анизотропия материалов связана либо с естественной анизотропией материала, либо создается искусственно для придания материалу определенных свойств. Поликристаллические материалы (металлы, сплавы) принято считать изотропными, поскольку кристаллиты, составляющие металл, ориентированы хаотично относительно внешних и внутренних направлений в материале. Анизотропия в металлических материалах создается искусственно. Это, например, специальные условия кристаллизации (рис.4) (направленный теплоотвод). На рис.4а показана структура литой меди; кристаллиты вытянуты в направлении теплоотвода. Структура на рис.4б не имеет направленности. Анизитропную структуру можно получить при деформации - прокаткой и волочением. Например, на рис.5а показана структура прокатанной стали. Видны полосы перлита (темные), вытянутые вдоль направления деформации. Структура, показанная на рис.5б тоже состоит из перлита и феррита, но такую структуру можно считать изотропной, потому что феррит и перлит равномерно распределены в объеме стали. Сам перлит анизотропен, потому что имеет пластинчатое строение (в противоположность зернистому перлиту, который является изотропным).

Анизотропия, созданная тпластической деформацией, сохраняется в изделии или материале после прекращения воздействия и определяет комплекс его физико-механических свойств. Например, после холодной прокатки на 90% и отжига при 800 0 С медь имеет различное относительное удлинение: вдоль направления деформации – 40%, под углом 45 0 к направлению деформации – 75%.


а	б

Рисунок 4. Макроструктура литья: а – анизотропия макроструктуры меди за счет направленного теплоотвода; б – изотропная структура меди, формирующаяся при равномерном теплоотводе.


а	б

Рисунок 5. Анизотропия структуры углеродистой стали, созданная холодной прокаткой (а), и однородная структура, полученная нормализацией (б).

Композиционные материалы представляют собой искусственные анизотропные материалы, созданные, как правило, из двух и более материалов, часто различной природы. Композиционный материал состоит из армирующего прочного материала (как правило анизотропного) и связующего изотропного вещества с более низкими свойствами. Часто в качестве армирующего элемента используются высокопрочные волокна – графитовое или борное волокно, стекловолокно и т.д. (рис.6 а). Понятно, что в продольном сечении материал можно рассматривать как анизотропный (рис. 6 б), в поперечном сечении – как изотропный, т.к. сечение волокна сферическое (рис. 6в). Из элементарных соображений понятно, что свойства композиционного материала вдоль волокна будут существенно отличаться от свойств в поперечном направлении. Этот случай анизотропии представляет собой частный случай анизотропии под названием ортотропия (от др. греч. ὀρθός — прямой и τρόπος — направление) —различие свойств материала по взаимно перпендикулярным направлениям.


а	б	в

Рисунок 6. Анизотропия композиционных материалов: а – борное волокно; б – волокно в составе композита, продольное сечение материала; в – поперечное сечение материала.

Армированные композиты

Армированные композиты это наиболее интересные и перспективные материалы современной техники. Их разработкой занимаются сотни лабораторий во всем мире. Идея, положенная в основу этих разработок, проста и понятна.

Чтобы упрочнить какой-то материал (матрицу), нужно ввести в него волокна, имеющие большую, чем матрица, прочность. При этом они должны быть надежно связаны с матрицей и расположены таким образом, чтобы воспринимать основную нагрузку, действующую на материал. Эту идею никак нельзя признать новой. Если вспомнить о кирпичах с соломой, известных тысячи лет, о железобетоне, изобретенном более 100 лет назад, о полимерах, упрочненных натуральными волокнами, которые были созданы в начале XX века, и др. Но сейчас идея армирования предстала в новом свете.

Свойства армированных материалов

Армированные материалы раньше не рассматривались как сверхпрочные, сверхжесткие, сверхвязкие, сверхпроводящие и т. п. А теперь именно от них ожидают всех этих «сверх. » И не только ожидают, но и получают свойства, недостижимые в обычных материалах.

Армированные композиты с каждым годом завоевывают новые области применения — от теннисных ракеток и лыж до самолетов и космических кораблей. Поставьте себя на место конструктора, который всю жизнь проектировал детали из сплавов, а тут ему говорят, чтобы он сконструировал их из углепластика.

Ни уголь, ни смола не могут внушить доверия человеку, знающему, как хрупки, непрочны и ненадежны они. И непросто убедить его, что композиция из углеродных волокон и смолы — это совсем не то, что уголь и смола в отдельности. Нет у него в этом уверенности.

Она приходит только как результат опыта, а чтобы опыт появился, нужно решиться на применение нового материала там, где его применять опасаешься. Вот и получается замкнутый круг, разорвать который иногда труднее, чем самый прочный материал. Для материаловедов армированные композиты тоже были непривычны, поэтому до поры до времени занимались ими не очень активно. Но начиная с 60-х годов ХХ ст. положение резко изменилось.

Причина была достаточно веской, чтобы накалить интерес к армированным материалам до предела. Эта причина — важная особенность армированных композитов, отличающую их от традиционных материалов — их резко выраженная анизотропия.

Анизотропия и изотропия

Анизотропия — зависимость свойств материала (среды) от направления. А есть еще понятие изотропия — независимость свойств от направления. Следовательно, у изотропного материала свойства во всех направлениях одинаковы, а у анизотропного — различны.

Изотропными являются кирпич, мел, воск, стальная отливка, кусок глины; анизотропными — дерево, слюда, кость, фанера, (подробнее: Биокомпозиты). Одиночные кристаллы (монокристаллы) всегда анизотропны.

В них атомы расположены упорядоченно, и это приводит к тому, что в разных направлениях между атомами различные расстояния, различная величина силы взаимодействия, а следовательно, и различные свойства.

Металлы изотропны

Большинство металлов и сплавов, с которыми обычно приходится иметь дело, практически изотропны, хотя они имеют кристаллическое строение. В чем здесь противоречие, ведь только что утверждалось, что кристаллы анизотропны. Противоречия нет. Обычные металлы и сплавы имеют поликристаллическое строение.

Это означает, что они состоят из большого числа маленьких кристалликов (зерен), имеющих размеры от нескольких микрометров до нескольких миллиметров, каждый из которых может занимать любое положение в пространстве. Такое хаотическое расположение зерен приводит к усреднению свойств поликристалла по всем направлениям, и он приобретает изотропию.

Если же зерна сориентировать в каком-то направлении (с помощью прокатки, прессования, волочения и т. п.), поликристалл становится анизотропным. Но эта анизотропия сравнительно слабо выражена, она получается как следствие пластической деформации материала.

Армированные композиты анизотропны

В армированных композитах анизотропия является конструкционной, то есть она закладывается в материал специально, исходя из условий его будущей работы. И выражена она обычно очень резко. Это хорошо или плохо?

Все зависит от конкретных обстоятельств. В одних случаях нужны изотропные материалы, в других — анизотропные. Но если хорошо разобраться, то окажется, что часто изотропные материалы применяются там, где изотропия не нужна.

Материал для лопаток газовой турбины

Предположим, нужно разработать материал для лопаток газовой турбины. Эти лопатки вращаются очень быстро, и инерция создает в них большие растягивающие напряжения, направленные вдоль радиуса вращения. Назовем это направление радиальным.

В других направлениях, в частности, в окружном (вдоль касательной к окружности вращения) напряжения маленькие. Мы, естественно, должны рассчитывать лопатку на самые большие напряжения, иначе она разрушится. Если лопатка изготовлена из изотропного материала и рассчитана на радиальные нагрузки, то в окружном направлении у нее получается большой излишек прочности. Такая прочность в этом направлении совершенно не нужна, но ничего не поделаешь, излишек заложен в самой природе используемого материала.

Создание анизотропного материала

А вот создавая анизотропный материал, можно регулировать его свойства в разных направлениях в соответствии с действующими в нем напряжениями. В том направлении, где они больше, сделать его более прочным, а где малые — менее. Как это осуществить практически? Довольно просто — путем армирования. В одном направлении уложить больше волокон, в другом — меньше.

Столь привычный для традиционного материала вопрос — какова его прочность (жесткость, электросопротивление, теплопроводность и т. п.) — сам по себе для армированных композитов лишен смысла. Он обязательно требует ответного вопроса: а в каком направлении? Потому что армированные композиты — это материалы анизотропные, и их свойства в разных направлениях могут отличаться в десятки раз.

Например, эпоксидная смола, упрочненная параллельными волокнами бора, имеет вдоль волокон предел прочности более 1000 МПа, а в поперечном направлении — менее 100 МПа. В одном направлении армированный композит может быть проводником, а в другом — диэлектриком (например, углепластики).

Для характеристики анизотропного материала нужно больше показателей, чем для изотропного. Это зависит от характера анизотропии.

Модуль Юнга

Рассмотрим этот вопрос на примере одной из характеристик материала — модуля упругости или модуля Юнга. Для начала разберемся, что это такое. Хотя в школьной программе модуль Юнга числится, суть его почему-то плохо запоминают. То, что прочность — это напряжение, при котором материал разрушается, усваивается легко.

А вот что в математической записи закона Гука (σ = Еε), устанавливающего пропорциональность напряжения σ и упругой относительной деформации материала ε, имеется коэффициент пропорциональности Е, называемый модулем упругости, или модулем Юнга, помнят далеко не все.

Этот коэффициент — очень важная характеристика материала, которая определяет его поведение под нагрузкой. Чем больше Е, тем более жестким является материал, тем меньше он деформируется при заданной нагрузке. Величина Е входит во многие формулы, определяющие предельно допустимые нагрузки конструкций.

Она определяет жесткость материала. Для многих конструкций наряду с абсолютной величиной Е важна величина удельного модуля—отношения Е/γ (γ — плотность материала). Вроде бы несложно. А теперь попробуйте понять следующее:

Модуль упругости любого вещества есть столб этого вещества, способный производить давление на свое основание, которое так относится к весу, вызывающему определенную степень сжатия, как длина вещества к уменьшению этой длины.

После прочтения этой головоломки у самого любознательного человека наверняка пропадет желание иметь дело с модулем упругости и понять, что это такое. Между тем, определение дано в 1807 году самим Юнгом — он впервые ввел эту характеристику материала. Инженеры начали пользоваться ею примерно спустя полстолетия.

Не исключено, что столько времени им понадобилось, чтобы прийти в себя после прочтения юнговского определения. Сложность изложения Юнгу легко простить. В его время еще не существовало понятий напряжения и деформации, а попробуйте определить, что такое Е без этих понятий. Кроме того, он был великим ученым, а великим многое прощается, в том числе и запутанность формулировок.

Если материал изотропен, то у него один модуль Юнга (как и один предел прочности, одно электросопротивление, один коэффициент термического расширения и т. д.). А если материал анизотропен — то как минимум два, а может быть, и больше. Возьмем простейший случай анизотропного армированного материала, когда все волокна ориентированы в одном направлении.

Такой композит относится к трансверсально-изотропным (или транстропным) материалам. Если модуль Юнга волокон больше, чем матрицы, то вдоль волокон жесткость композита будет выше, чем в поперечном направлении.

Для характеристики такого композита нужно ввести два модуля упругости: один, учитывающий зависимость деформации от напряжения в направлении, параллельном волокнам (Е ‖) другой — в перпендикулярном направлении (Е perp). В любом другом направлении величина Е может быть рассчитана по известным значениям Е perp и Е ‖.

Другие характеристики анизотропных материалов

Кроме модуля Юнга к числу упругих постоянных материала относятся модуль сдвига, коэффициент объемного сжатия, коэффициент Пуассона. И все, что говорилось о модуле Юнга, применимо к этим характеристикам тоже.

Изотропные материалы имеют всего три независимые упругие постоянные, трансверсально-изотропные — пять, орто-тропные (к которым относятся композиты, армированные в двух взаимноперпендикулярных направлениях) — девять. В самом общем случае анизотропного материала число его упругих характеристик может доходить до 21. Все вышесказанное относится и к прочности.

При описании теплопроводности, термического расширения, электропроводности и других физических свойств анизотропных материалов также нужно вводить для разных направлений свои показатели.

Анизотропные системы

Понятно, что решать задачи, связанные с поведением анизотропных систем, намного сложнее, чем изотропных. Для их решения пришлось разрабатывать специальные методы, создавать теорию анизотропных сред. Появление новых армированных материалов стимулировало проведение этих разработок.

При определении свойств анизотропных материалов приходится испытывать намного больше образцов, чем при испытаниях изотропных. Например, для выявления всех упругих постоянных ортотропного материала нужно испытать на растяжение шесть разных образцов, для изотропного — достаточно одного. При испытаниях анизотропных композитов нужно учитывать особенности их поведения, у обычных материалов отсутствующие. Так, при растяжении в них могут появляться сдвиговые деформации, и стержень, имевший форму прямоугольного параллелепипеда, деформируясь, станет косоугольным параллелепипедом.

Изгиб круглого цилиндрического образца из анизотропного композита может сопровождаться потерей формы круга, искривлением и закручиванием его оси и пр. Все эти особенности требуют внимания при расчете конструкций из анизотропных материалов.

А такие конструкции все шире используются в технике. Огромные цистерны для хранения различных жидкостей, корпуса подводных лодок и ракет, сферические сосуды разнообразного назначения, лопасти винтов вертолетов, лопатки авиационных турбин, кузова автомобилей, несущие конструкции солнечных батарей и другие изделия самых разнообразных форм и размеров сегодня изготавливают из анизотропных материалов.

Причем изготавливают рационально, конструируя одновременно и изделие, и материал. Пожалуй, это одно из самых главных достоинств анизотропных композитов — возможность конструирования материала под заданное изделие, с учетом условий работы этого изделия.

Например, если известно, что в цилиндрическом сосуде напряжения в окружном направлении будут в два раза больше, чем в осевом, то, разместив по окружности в два раза больше волокон, чем по оси, мы обеспечим примерную равнопрочность армированного композита в этих направлениях. Это и будет рациональное проектирование сосуда для данного случая.

Часто изделие и композиционный материал под него не только проектируются совместно, но и одновременно изготавливаются. Это очень важно в экономическом отношении, поскольку исключаются операции обработки давлением и резанием, сварки и т. п., которые необходимы для изготовления деталей из обычных изотропных материалов.

Причиной которая пробудила столь острый интерес к армированным композитам, послужило осознание того факта, что на тонких волокнах можно получить гораздо большие значения прочности, чем на массивных материалах.

Видео: Искусственная анизотропия -- эффект Keppa

Содержание

В ключевое отличие между анизотропией и изотропией заключается в том, что анизотропия зависит от направления, тогда как изотропия не зависит от направления.

Слова изотропия и анизотропия полезны в различных областях. В зависимости от того, где мы его используем, значение может немного отличаться. Однако фундаментальная концепция этих двух слов схожа и не зависит от того, где мы их используем. Прежде всего, мы часто используем термины изотропия и анизотропия для описания свойств макроскопических тел. Там они зависят от масштаба макроскопического тела. Например, один кристалл может быть анизотропным, но когда много кристаллов вместе, они могут быть изотропными.

1. Обзор и основные отличия
2. Что такое анизотропия
3. Что такое изотропия
4. Параллельное сравнение - анизотропия и изотропия в табличной форме
5. Резюме

Что такое анизотропия?

Анизотропия - это свойство зависеть от направления. Это противоположность изотропии. Здесь измеренные свойства материала различаются по анизотропии в разных направлениях. Кроме того, эти свойства подпадают под две категории; физические или механические свойства, такие как проводимость, прочность на разрыв или поглощение. Кроме того, это свойство имеет немного разные значения в разных предметах, где мы его используем.

Обычно в жидкостях нет порядка в молекулах. Однако анизотропные жидкости - это жидкости со структурным порядком, в отличие от других распространенных жидкостей. Осадочные материалы могут иметь электрическую анизотропию, при которой электрическая проводимость отличается от одного направления к другому. Кроме того, породообразующие минералы анизотропны по своим оптическим свойствам.

Ориентация ядер молекулы зависит от силы приложенного магнитного поля в ЯМР-спектроскопии. В данном случае анизотропные системы относятся к молекулам с высокой электронной плотностью. Из-за анизотропного эффекта (в молекулах с высокой электронной плотностью) молекула иначе чувствует приложенное магнитное поле (чаще всего меньше реального значения); следовательно, химический сдвиг меняется.

Кроме того, в флуоресцентной спектроскопии мы также используем анизотропное измерение поляризации флуоресценции для определения молекулярных структур. Более того, анизотропия - распространенное понятие в медицине, когда говорят об ультразвуковой визуализации.

Что такое изотропия?

Слово «изотропия» относится к однородности. Значение самого слова - «единообразие во всех направлениях». Как указано во введении, значение может немного отличаться в зависимости от предметной области. Например, когда говорят об изотропии материала или минерала, это означает наличие одинаковых свойств во всех направлениях.

Кроме того, в промышленных процессах изотропия означает одинаковую скорость на всех стадиях независимо от направления. Там мы говорим, что молекулы, обладающие кинетической энергией, беспорядочно движутся в любом направлении. Следовательно, в данный момент времени будет много молекул, движущихся в одном направлении. Следовательно, он показывает изотропность. Точно так же материалы, обладающие этим свойством, будут иметь одинаковые свойства во всех направлениях (например, аморфные твердые тела). Например, когда мы прикладываем тепло, если твердое тело расширяется одинаковым образом во всех направлениях, это изотропный материал.

В чем разница между анизотропией и изотропией?

Анизотропия - это свойство быть зависимым от направления, а изотропия - это свойство быть независимым от направления. Это ключевое различие между анизотропией и изотропией. Следовательно, изотропность означает наличие одного и того же свойства во всех направлениях. Если свойства материала в разных направлениях различаются, мы называем его анизотропным.

Еще одно важное различие между анизотропией и изотропией заключается в том, что анизотропные материалы имеют более одного показателя преломления, в то время как изотропные материалы имеют один показатель преломления (отношение скорости света в вакууме к его скорости в указанной среде является показателем преломления).

Резюме - Анизотропия против изотропии

Мы часто используем термины изотропия и анизотропия для описания свойств макроскопических тел. Следовательно, ключевое различие между анизотропией и изотропией состоит в том, что анизотропия зависит от направления, тогда как изотропия не зависит от направления.

Читайте также: