§ 276. Изменения свойств твердого тела

Мы уже видели, что многие свойства поликристаллического тела, особенно механические свойства, зависят от размеров образующих его кристалликов: мелкокристаллические сплавы, как правило, прочнее. Структура же поликристаллических тел, в частности металлов, зависит, как показывает опыт, не только от химического состава сплава, но также и от предыстории образца, в частности от того, каким механическим и тепловым воздействиям он подвергался (холодная обработка: прокатка, ковка и т. д., термическая обработка: закалка, отжиг и т. п.). Если железную полосу подвергнуть прокатке или ковке, то ее прочность, увеличивается. Исследование показывает, что при этом она приобретает волокнистое, мелкокристаллическое строение.

Другой пример. Новая ось железнодорожного вагона очень прочна. Однако, сделав большое число пробегов, она становится хрупкой и может сломаться. Исследование показывает, что мелкокристаллическое волокнистое строение, которое вначале обусловливало ее прочность, заменилось крупнокристаллическим, при котором прочность заметно уменьшилась. Росту кристалликов способствовали постоянные толчки, которым подвергалась ось. Однако и при отсутствии толчков имеет место рост кристалликов, хотя и более медленный.

Эти примеры показывают, что твердое тело не является чем-то неизменным. Составляющие его кристаллики живут своей жизнью и, меняя свои размеры и расположение, меняют свойства тела.

Наиболее сильно влияют на свойства твердых тел тепловые воздействия, которые могут вызвать изменение даже формы и строения самих кристалликов (их пространственной решетки). Так, например, железо при комнатной температуре имеет кристаллическую решетку иную, чем при более высоких температурах. При нагревании железо переходит в другие кристаллические формы (всего имеются четыре кристаллические формы железа). При переходе из одного кристаллического состояния в другое поглощается или вы делается некоторое количество теплоты (так же, как и при плавлении и отвердевании), заметно меняются размеры тела и т. д. Это можно обнаружить на следующем опыте.

Натянем горизонтально железную проволоку длины 2-3 м и накалим ее электрическим током до светло-красного каления. Она удлинится и сильно провиснет. Затем выключим ток и дадим проволоке остыть. Мы увидим, что проволока сперва начнет подниматься, затем в некоторый момент поднимание прекратится, проволока сама собой снова накалится и провиснет, а потом снова быстро начнет подниматься. Момент, когда проволока вновь удлиняется, и есть момент, когда железо переходит из одного кристаллического состояния в другое (около ). Процесс можно наблюдать и в обратном порядке, если очень медленно увеличивать силу тока.

Интересный процесс происходит при закалке стали. При закалке охлаждение происходит настолько быстро, что сталь не успевает перейти из того кристаллического состояния, в котором она находится при высокой температуре, в то состояние, в котором она должна была бы находиться при комнатной температуре. В холодном состоянии перекристаллизация крайне замедлена, и сталь остается в кристаллическом состоянии, соответствующем высокой температуре. При этом она становится очень твердой и хрупкой. Можно позволить стали перекристаллизоваться (частично или полностью), для чего надо снова нагреть ее и медленно охладить (отпуск стали).