Словом — круг современных профессий монокристаллов
кристаллов и, конечно, методам механических испытаний
простирается гораздо дальше их первой профессии — сиять в
свойств монокристаллов (глава 4). <...> В связи с этим представляется своевременным
тельного анализа структуры и магнитных свойств в главе 5 рас-
помочь всем желающим расширить свой кругозор в этой пер-
смотрены некоторые аспекты научного исследования и исполь-
спективной области знаний современного материаловедения.
зования железокремнистых сплавов, на которые приходится
Несмотря на то, что вопросы, относящиеся к монокри-
набольший объем промышленного производства магнитных ма-
сталлам, рассматриваются во многих курсах общей физики, хи-
териалов. <...> Словом — круг современных профессий монокристаллов
кристаллов и, конечно, методам механических испытаний
простирается гораздо дальше их первой профессии — сиять в
свойств монокристаллов (глава 4). <...> В связи с этим представляется своевременным
тельного анализа структуры и магнитных свойств в главе 5 рас-
помочь всем желающим расширить свой кругозор в этой пер-
смотрены некоторые аспекты научного исследования и исполь-
спективной области знаний современного материаловедения.
зования железокремнистых сплавов, на которые приходится
Несмотря на то, что вопросы, относящиеся к монокри-
набольший объем промышленного производства магнитных ма-
сталлам, рассматриваются во многих курсах общей физики, хи-
териалов. <...> В том числе будут обсуждаться некоторые примеры
8
9
очень необычных монокристаллов, в частности, монокристаллов,
нести до читателя новые тенденции в исследовании и обсудить
синтезированных живыми системами. <...> Его можно представить как одну плоскость графита,
стоит в термическом разложении подложки карбида кремния.
отделенную от объемного кристалла, т. е. в определенном смыс-
Технологически он гораздо более близок к промышленной реа-
ле графен — это двумерный монокристалл. <...> Его можно <...>
Материаловедение_Монокристаллы_.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А. М. ГОРЬКОГО
Г. В. Курляндская
В. И. Левит
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
МОНОКРИСТАЛЛЫ
Учебное пособие для студентов,
обучающихся по направлению «Физика»,
специальности «Метрология и метрологическое обеспечение»
Под редакцией профессора,
доктора физико-математических наук В. О. Васьковского
Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2011
1
Стр.2
s — поверхностное натяжение
Т — абсолютная температура
wє — плотность свободной энергии
τ — напряжения сдвига
4
Стр.5
ВВЕДЕНИЕ
Кристаллы неорганических соединений уже не одно тысячелетие
привлекают внимание людей и рассматриваются в виде
предметов торга, коллекционирования и драгоценных украшений.
Детальное описание кристаллов кварца мы находим уже
в китайской медицинской книге, написанной во II столетии до
нашей эры. Первыми стали обрабатывать кристаллы ювелиры.
Уже в древности было развито искусство «расщеплять» и шлифовать
драгоценные камни и из природных кристаллов создавать
сверкающие гранями украшения.
Симметрия натуральных кристаллов и связанные с ней
особые физико-химические свойства издревле привлекали внимание
не только представителей королевских династий, но и
естествоиспытателей. Постоянство углов между гранями и длины
ребер наводили на мысль о связи формы кристаллов и их
внутреннего строения, а законы поляризации и двойного лучепреломления
легли в основу развития кристаллофизики. Например,
особый научный интерес пробудило двойное преломление
света, наблюдаемое в некоторых кристаллах, особенно у известкового
шпата. Его систематическое изучение привело в прошлом
столетии к открытию поляризованного света и созданию поляризационных
приборов для исследования оптических свойств хи5
Стр.6
ОГЛАВЛЕНИЕ
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ....................... 3
ВВЕДЕНИЕ............................................................................... 5
1. КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СИММЕТРИЯ И ОПИСАНИЕ
СВОЙСТВ КРИСТАЛЛОВ ................................................... 11
2. ТЕРМОДИНАМИКА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ .................. 38
3. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ .......... 51
3.1. Метод Чохральского ....................................................... 51
3.2. Метод Бриджмена ........................................................... 57
3.3. Зонная плавка .................................................................. 61
3.4. Направленная рекристаллизация ................................... 65
3.5. Методы получения монокристаллов с использованием
процессов испарения и осаждения из газовой фазы ........... 67
4. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МОНОКРИСТАЛЛОВ .... 79
4.1. Методы исследования структуры металлов и сплавов 80
4.1.1. Методы исследования макроструктуры .................... 80
4.1.2. Методы исследования микроструктуры .................... 84
4.1.3. Другие методы оценки качества металлических
изделий и особенностей структуры...................................... 89
4.1.4. Определение ориентации монокристаллов ............... 92
4.2. Механические свойства монокристаллов ................... 103
263
Стр.264
5. ОСОБЕННОСТИ КРИСТАЛЛООБРАЗОВАНИЯ И
СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗОКРЕМНИСТЫХ СПЛАВОВ ........ 140
5.1. Общая характеристика сплавов Fe—Si ....................... 141
5.2. Термомеханическая обработка электротехнических
сталей .................................................................................... 144
5.2.1. Ориентационная зависимость продольного эффекта
ТМехО выше точки Кюри ................................................... 155
5.2.2. Особенности ТМехО при небольшом отклонении
плоскости образцов от плоскости (110) ............................. 162
5.3. Структурные изменения в сплаве Fe–3 % Si при
высокотемпературной ТМехО ............................................ 166
5.3.1. Различные схемы ТМехО .......................................... 167
5.3.4. Сопоставление структурных изменений после
ТМехО вдоль кристаллических осей [001] и [110] ........... 176
5.4. Об атомном упорядочении в сплаве Fe—3 % Si при
высокотемпературной ТМехО ............................................ 188
5.5. Современное состояние исследований наведенной
магнитной анизотропии ....................................................... 200
6. ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
МОНОКРИСТАЛЛОВ ......................................................... 214
6.1. Монокристаллы жаропрочных сплавов ...................... 214
6.2. Методы и схемы направленной кристаллизации по
выплавляемым моделям ...................................................... 217
6.3. Монокристаллы чистых металлов для
сверхпроводящих магнитов и точной электроники.......... 228
264
Стр.265
7. ПРИМЕРЫ МОНОКРИСТАЛЛОВ,
СИНТЕЗИРОВАННЫХ ЖИВЫМИ СИСТЕМАМИ ........ 244
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................................... 257
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ .............. 259
265
Стр.266
Учебное издание
Курляндская Галина Владимировна
Левит Владимир Ильич
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Монокристаллы
Учебное пособие
Под редакцией В. О. Васьковского
Зав. редакцией М. А. Овечкина
Редактор и корректор С. Г. Галинова
Компьютерная верстка Г. Б. Головиной
Подготовка иллюстраций В. Н. Лепаловский
План выпуска 2012 г. Подписано в печать 21.03.2012.
Формат 60ґ84/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times.
Уч.-изд. л. 9,7. Усл. печ. л. 10,46. Тираж 150 экз. Заказ 401.
Издательство Уральского университета.
620000, г. Екатеринбург, ул. Тургенева, 4.
Отпечатано в Издательско-полиграфическом центре УрФУ.
620000, г. Екатеринбург, ул. Тургенева, 4.
Тел.: + (343) 350-56-64, 350-90-13.
Факс: +7 (343) 358-93-06.
E-mail: press.info@usu.ru
ISBN 978-5-7996-0681-7
9 7 8 5 7 9 9 6 0 6 8 1 7
Стр.267