В 1929—30 Ф. Блох и Л. Бриллюэн рассмотрели влияние периодического поля кристаллической решётки на электронный газ. Это позволило объяснить, например, длину свободного пробега электронов в металле, намного превышающую среднее расстояние между атомами, и привело к созданию зонной теории твёрдых тел. Для металла определяющим является наличие незаполненной энергетической зоны, через которую проходит Ферми поверхность. Теплопроводность, электропроводность и многие др. свойства металлов определяются электронами именно этой зоны (электронами проводимости). Исследуя отклик металла на воздействие статических и переменных электрических и магнитных полей (квантовые осцилляции, гальваномагнитные явления, магнитоакустический эффект, циклотронный резонанс и др.), находят для электронов закон дисперсии (зависимость энергии от импульса). В совокупности с данными об энергетическом спектре электронов (получаемых, например, из эмиссионных рентгеновских спектров) это даёт достаточно полное представление об электронах в металле.
Изучение самой решётки также важно, т.к. её особенности определяют такие свойства металлов, как теплоёмкость и электропроводность. Методы электронографии , рентгенографии и нейтронографии позволили расшифровать атомную и магнитную структуры металлов, а также исследовать тепловые колебания кристаллической решётки. Резонансные методы (ЭПР, ЯМР, Мёссбауэра эффект ) сделали возможным изучение локальных внутрикристаллических магнитных и электрических полей в металлах (см. Кристаллическое поле ).
Применение к электронам в металле теории обменного взаимодействия (В. Гейзенберг , П. Дирак , 1927) позволило понять природу ферромагнетизма и обнаружить новые магнитоупорядоченные состояния металла — антиферромагнетизм (Л. Неель, 1932) и ферримагнетизм . Исследование взаимодействия электронов друг с другом и с решёткой позволило раскрыть природу сверхпроводимости (Дж. Бардин , Л. Купер , Дж. Шриффер , 1957). Изучение нормальных, сверхпроводящих и магнитоупорядоченных (ферро-, антиферро- и ферримагнитных) металлов — три основных направления микроскопической теории металлов.
Теория дефектов.Дефекты в кристаллах влияют практически на все свойства металлов. Влияние дефектов начали изучать в 40-е годы в связи с изучением диффузии и пластической деформации (см. Пластичность ). Центральное место в теории дефектов занимает представление о дислокациях, перемещение которых объясняет пластические деформации кристаллов. Эти представления появились в работах ряда исследователей (Л. Прандтль , 1928, Ю. Делингер, 1929, Е. Орован, М. Поляни, У. Тейлор, 1934, Я. И. Френкель, 1938) вследствие невозможности объяснить малое сопротивление деформации в рамках микроскопической теории идеального кристалла, дававшей оценку, в десятки тыс. раз превосходящую наблюдаемые величины. Исследования дислокаций (в т. ч. с помощью электронного микроскопа и рентгеновской топографии) в сочетании с теоретическими исследованиями в 50—60-е гг. позволили объяснить большинство механических свойств металлов. Например, предел текучести и деформационное старение металлов объясняются упругим взаимодействием дислокаций с примесными атомами; деформационное упрочение — дислокационными скоплениями (Н. Ф. Мотт, Ж. Фридель, А. Зегер и др.); процессы полигонизации (разбиения деформированных монокристаллов на блоки) — дислокационной структурой границ зёрен (В. Рид, У. Шокли, Ф. Франк и др.).
Рождение и перемещение точечных дефектов приводят к образованию дислокации и, кроме того, играют самостоятельную роль в процессах диффузии, самодиффузии и связанных с ними явлениях. Т. о., совокупность дефектов в кристалле, образующая его дефектную структуру, определяет многие свойства реального металла. Это относится не только к механическим свойствам. Рассеяние электронов и фононов на дефектах может играть важную роль во многих кинетических явлениях в металлах. Изучение влияния дефектов на физические свойства — быстро развивающаяся область современной М.
Сплавы. Гетерофазные структуры. Способность образовывать твёрдые растворы и сплавы — одно из важнейших свойств металлов, обеспечивающее им широкое применение. Теория сплавов — старейшее направление М., развитие которого тесно связано с проблемами практического металловедения.
Явление полиморфизма широко используется на практике для придания металлическим материалам желательных свойств путём термической обработки. Полиморфное превращение приводит к коренному изменению всех физических свойств металла (нередко при этом происходит превращение металла в неметалл). Важное направление в М. — изучение полиморфных модификаций, возникающих в условиях высоких давлений, сверхсильных магнитных полей и т.п. Исследование областей устойчивости различных полиморфных фаз в зависимости от внешних условий (температуры, давления, полей), а для сплавов также от концентрации позволяет построить диаграммы состояния .
Теория фаз, начавшая развиваться ещё в 19 в., рассматривает фазовые равновесия, фазовые превращения, а также структуру и свойства гетерофазных систем. Превращение одной (фазы в другую, как правило, происходит путём образования в исходной фазе отдельных кристаллов новой фазы, которые растут, взаимодействуют и образуют сложную гетерофазную систему (см. Двойные системы ). Форма, размер и взаимное расположение кристаллов определяют гетерофазную структуру реального металла. Регулируя гетерофазную структуру, можно изменять свойства металлических материалов. При этом свойства гетерофазной системы могут не сводиться к «сумме свойств» отдельных фаз. Такая неаддитивность свойств связана с наличием межфазных границ, удельный объём которых в мелкодисперсных системах может быть достаточно велик, а также со значительным искажением фаз из-за их упругого взаимодействия. Влияние упругого взаимодействия фаз наиболее полно проявляется при фазовых превращениях мартенситного типа, когда не меняются ни состав, ни степень порядка, а фазы отличаются только положением узлов кристаллических решёток. Физическая природа мартенситных превращений исследовалась в работах Г. В. Курдюмова с сотрудниками (см. также Мартенсит ).
Изучение эволюции гетерофазной системы во времени при различных внешних условиях, т. е. кинетики фазового превращения, позволяет судить о промежуточных состояниях гетерофазной структуры, которые возникают в процессе превращения и затем могут достаточно долго сохраняться, если изменение внешних условий «замораживает» превращение. Примером такой неравновесной гетерофазной структуры служат поликристаллы , размер зёрен которых определяется скоростью зарождения и роста зёрен в процессе кристаллизации . Вследствие упругого взаимодействия между фазами часто образуются многофазные метастабильные состояния, характеризующиеся регулярным пространственным расположением фаз.
Т. о., строение реальных металлов характеризуется наличием трёх структур различного масштаба: микроскопической (атомно-кристаллической), дефектной и гетерофазной. Между различными «этажами» этой «иерархии» структур существует тесная взаимосвязь, однако различие в масштабах оправдывает исторически сложившееся различие в методах их экспериментальное и теоретическое изучения. С этим связано существование трёх направлений М.: микроскопическая теория металлов, исследования дефектов и их влияния на свойства металлов, изучение фаз и гетерофазных металлических материалов, которые с различных сторон решают общую проблему М. — связь физических свойств металла и наблюдающихся в нём явлений с его строением и зависимость внутреннего строения металлов от внешних условий.
Лит . см. при ст. Металлы .
