Атомистический механизм диффузии в твердом теле . <...> При исследованиях специальных материалов выявляются дополнительные элементы микроструктуры, например границы доменов в магнитных материалах или антифазные границы в упорядоченных твердых растворах. <...> Междоузельные пустоты в объемноцентрированной структуре. а)Октаэдрические пустоты; б) тетраэдрические пустоты атом металла а атом в октаэдрической пустоте a 3/2 a a 5/4 a 3/2 a/2 a/ 2 4R= 3a R R R R 32 Глава 2. <...> Октаэдрические пустоты располагаются в центре куба и на центрах граней (рис. <...> Тетраэдрические пустоты находятся в центрах аб в a Рис. <...> Пустоты в кубической гранецентрированной структуре. а)Октаэдрические пустоты; б)тетраэдрические пустоты в соседней ячейке Центр атома находится Та б л и ца 2.3 Значение c/a для некоторых металлов с гексагональной структурой Металл Cd аб в 1/6 атома 1/12 атома Рис. <...> Пустоты в гексагональной плотнейшей упаковке. а)Октаэдрические пустоты; б)тетраэдрические пустоты Гексагональная плотнейшая упаковка очень похожа на гранецентрированную кубическую (обе являются плотнейшими). <...> Различные кристаллографические плоскости кубической системы, их ориентация и индексы Миллера. а) (100); б) (110); в) (111); г) (236) например, центр кубической (и не только) ячейки задается координатами (1/2, 1/2, 1/2). <...> Для количественного описания кристаллографических плоскостей и направлений используются индексы Миллера. <...> 2.29, б призматические плоскости ADEB и ADDA кристаллографически эквивалентны, однако, они описываются различными индексами Миллера, а именно (100) и(1¯ (10¯ 10). <...> Представление ориентации осями {100} в стереографической проекции. а)Расположение кристалла в центре сферы ориентации; б) стереографические проекции кубических осей; в) полюсная фигура {100}, показывающая ориентацию кристалла, и определение углов α1 и β1, связанных с полюсом 1 β1 1 α1 001 2 а 100 Рис. <...> Полюсная фигура {hkl} состоит из стереографической проекции полюсов {hkl} в системе координат образца, например, полюсная <...>
Физико-химические_основы_материаловедения_.pdf
ЛУЧШИЙ ЗАРУБЕЖНЫЙ УЧЕБНИК
Г. ГОТТШТАЙН
ФИЗИКО
ХИМИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
4-e издание, электронное
и канд. хим. наук Д. О. Чаркина
под редакцией
Перевод с английского
К. Н. Золотовой
профессора, доктора хим. наук
В. П. Зломанова
Лаборатория знаний
2021
Москва
Стр.4
УДК 620.22+669.017
ББК 34.2+30.36я73
Г73
С е р и я о с н о в а н а в 2006 г.
Готтштайн Г.
Г73 Физико-химические основы материаловедения / Г. Готтштайн
; пер. с англ. К. Н. Золотовой, Д. О. Чаркина ; под ред.
В. П. Зломанова. — 4-е изд., электрон. — М. : Лаборатория знаний,
2021. — 403 с. — (Лучший зарубежный учебник). — Систем. требования:
Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул. экрана. —
Текст : электронный.
ISBN 978-5-93208-565-3
В учебном пособии, написанном известным специалистом из Германии,
имеющим многолетнюю преподавательскую практику, изложены основы
современного материаловедения. При этом в полной мере использованы
фундаментальные понятия, представления и закономерности из других
областей знаний — физики, химии, математики, а также кристаллографии
и металлургии. Рассмотрены различные модели, в том числе на основе
фазовых диаграмм и теории химической связи. Большое внимание уделено
применению термодинамических подходов при изучении материалов.
Подробно обсуждаются теория дефектов в кристаллических твердых телах,
процессы кристаллизации и рекристаллизации, способы управления
составом композиционных материалов, структурная организация в стеклах
и полимерах.
Для студентов и аспирантов университетов, а также других вузов,
готовящих специалистов в области наук о материалах.
УДК 620.22+669.017
ББК 34.2+30.36я73
Деривативное издание на основе печатного аналога: Физико-химические
основы материаловедения / Г. Готтштайн ; пер. с англ. К. Н. Золотовой,
Д. О. Чаркина ; под ред. В. П. Зломанова. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний,
2009. — 400 с. : ил. — (Лучший зарубежный учебник).
ISBN 978-5-94774-769-0.
В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных
техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать
от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации
ISBN 978-5-93208-565-3
© Перевод на русский язык, оформление.
Лаборатория знаний, 2015
Translation from the English edition:
Physical Foundations of Materials Science
by G¨unter Gottstein
Copyright © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2004
Springer is a part of Springer Science + Business Media
All Rights Reserved
Стр.5
Оглавление
Предисловие редактора русского издания . . . . . . . . . . . . . . . 8
Предисловие автора к русскому изданию . . . . . . . . . . . . . . . 10
Предисловие к английскому изданию . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Глава 1. Микроструктура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Глава 2. Атомная структура твердых тел . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.1. Межатомное взаимодействие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2. Кристаллическая структура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.1. Кристаллические системы и пространственные решетки . . . . . . . . 28
2.2.2. Кристаллические структуры металлов . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.3. Кристаллические структуры керамических материалов . . . . . . . . . 35
2.2.4. Кристаллические структуры полимеров . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3. Индексы кристаллографических плоскостей и направлений . . . . . . . . . . 37
2.4. Представление ориентаций: стереографическая проекция . . . . . . . . . . . 41
2.5. Экспериментальные кристаллографические методы . . . . . . . . . . . . . 45
2.5.1. Закон Брэггов—Вульфа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5.2. Рентгеновские методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.5.3. Электронная микроскопия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.5.4. Кристаллографические текстуры . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Глава 3. Дефекты в кристаллах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1. Общие замечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2. Точечные дефекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.1. Типы точечных дефектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.2. Термодинамика точечных дефектов . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.3. Экспериментальное доказательство существования точечных дефектов . . . 65
3.3. Дислокации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.3.1. Геометрия дислокаций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.3.2. Методы обнаружения дислокаций . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.4. Межзеренные границы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.4.1. Терминология и определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.4.2. Атомная структура межзеренных границ . . . . . . . . . . . . . . 77
3.4.2.1. Малоугловые границы . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.4.2.2. Высокоугловые границы . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.5. Фазовые границы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.5.1. Классификация фазовых границ . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.5.2. Феноменологическое описание межфазных границ . . . . . . . . . . 90
Стр.6
6
Оглавление
Глава 4. Сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.1. Строение сплавов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2. Термодинамика сплавов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.3. Твердые растворы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.4. Интерметаллические соединения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.4.1. Общие положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.4.2. Упорядоченные твердые растворы . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.4.3. Фазы химических соединений . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.4.4. Фазы с высокой плотностью упаковки . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.4.5. Электронные фазы (фазы Юм-Розери) . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.5. Многокомпонентные системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Глава 5. Диффузия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.1. Основные законы диффузии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.2. Коэффициент диффузии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.3. Атомистический механизм диффузии в твердом теле . . . . . . . . . . . . . 144
5.4. Корреляционные эффекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.5. Химическая диффузия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.6. Термодинамический фактор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.7. Диффузия по межзеренным границам . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.8. Диффузия в неметаллах: ионные проводники . . . . . . . . . . . . . . . 162
Глава 6. Механические свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.1. Основы теории упругости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.2. Кривая течения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.3. Механизмы пластической деформации . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.3.1. Кристаллографическое смещение при движении дислокации . . . . . . . 175
6.3.2. Механическое двойникование . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.4. Критическое разрешенное напряжение сдвига . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.4.1. Закон Шмидта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.4.2. Дислокационная модель критического разрешенного напряжения сдвига . . 191
6.4.2.1. Упругие свойства дислокаций . . . . . . . . . . . . . . . 191
6.4.2.2. Взаимодействие дислокаций . . . . . . . . . . . . . . . . 194
6.4.3. Термически активированное движение дислокаций . . . . . . . . . . 197
6.5. Упрочнение гранецентрированных монокристаллов под нагрузкой . . . . . . . 200
6.5.1. Геометрия деформации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
6.5.2. Дислокационные модели упрочнения растяжением . . . . . . . . . . 203
6.5.3. Диссоциация дислокаций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
6.6. Прочность и деформация поликристаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
6.7. Механизмы упрочнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
6.7.1. Упрочнение твердых растворов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
6.7.2. Дисперсионное упрочнение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
6.7.3. Упрочнение при выделении второй фазы . . . . . . . . . . . . . . 224
6.8. Временная зависимость деформации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
6.8.1. Сверхпластичность: зависимость напряжения текучести от скорости деформации 227
6.8.2. Ползучесть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
6.8.3. Неупругость и вязкостная упругость . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Глава 7. Возврат, рекристаллизация, рост зерен . . . . . . . . . . . . . 245
7.1. Процессы обработки металлов. Терминология . . . . . . . . . . . . . . . 245
7.2. Энергетика рекристаллизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
7.3. Деформационная микроструктура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
7.4. Возврат . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
7.5. Зародышеобразование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
7.6. Миграция межзеренных границ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
7.7. Кинетика первичной рекристаллизации . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
7.8. Рекристаллизационная диаграмма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
7.9. Рекристаллизация в гомогенных сплавах . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
7.10. Рекристаллизация в многофазных сплавах . . . . . . . . . . . . . . . . 274
7.11. Нормальный рост зерен . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
7.12. Дискретный рост зерен (вторичная рекристаллизация) . . . . . . . . . . . . 279
Стр.7
Оглавление
7
7.13. Динамическая рекристаллизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
7.14. Рекристаллизационные текстуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
7.15. Рекристаллизация в неметаллических материалах . . . . . . . . . . . . . . 285
Глава 8. Затвердевание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
8.1. Жидкое состояние . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
8.2. Зародышеобразование в твердой фазе . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
8.3. Рост кристаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
8.3.1. Форма кристалла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
8.3.2. Атомный механизм роста кристаллов . . . . . . . . . . . . . . . . 294
8.3.3. Рост кристаллов в расплаве . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
8.3.3.1. Кристаллизация чистых металлов . . . . . . . . . . . . . . 295
8.3.3.2. Кристаллизация сплавов . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
8.3.3.3. Кристаллизация эвтектических сплавов . . . . . . . . . . . 300
8.4. Микроструктура литых образцов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
8.5. Дефекты, обусловленные кристаллизацией . . . . . . . . . . . . . . . . 303
8.6. Быстрая закалка металлов и сплавов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
8.7. Затвердевание стекол и полимеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
8.7.1. Ионные кристаллы и стекла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
8.7.2. Полимеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
Глава 9. Фазовые переходы в твердом теле . . . . . . . . . . . . . . . 310
9.1. Чистые металлы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
9.2. Сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
9.2.1. Диффузионный контроль фазовых переходов . . . . . . . . . . . . . 311
9.2.1.1. Общая классификация . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
9.2.1.2. Термодинамика разложения . . . . . . . . . . . . . . . . 312
9.2.1.3. Зародышеобразование и спинодальный распад . . . . . . . . . 316
9.2.1.4. Метастабильные фазы . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
9.2.1.5. Старение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
9.2.1.6. Кинетика роста частиц выделяющейся фазы . . . . . . . . . 324
9.2.1.7. Эвтектоидный распад и дискретные выделения . . . . . . . . 327
9.2.2. Мартенситные превращения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
9.2.3. Практические применения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
9.2.3.1. ВТП-диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
9.2.3.2. Технологическая важность мартенситных превращений: примеры . 335
Глава 10. Физические свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
10.1. Основы теории электронного строения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
10.2. Механические и тепловые свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
10.3. Теплопроводность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
10.4. Электрические свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
10.4.1. Проводники, полупроводники и изоляторы . . . . . . . . . . . . . 349
10.4.2. Проводимость металлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
10.4.3. Модели электропроводности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
10.4.4. Сверхпроводимость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
10.5. Магнитные свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
10.5.1. Диа- и парамагнетизм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
10.5.2. Ферромагнетизм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
10.6. Оптические свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
10.6.1. Свет . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
10.6.2. Отражение от металлических поверхностей . . . . . . . . . . . . . 370
10.6.3. Изоляторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
10.6.3.1. Окраска . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
10.6.3.2. Поглощение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
10.6.3.3. Фотопроводимость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
10.6.3.4. Люминесценция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
10.6.4. Применения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
Стр.8