Анизотропия и металлография

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 800⁰С медь имеет различное относительное удлинение: вдоль направления деформации – 40%, под углом 45⁰ 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.