Федеральное агентство по образованию

МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ФИЗИЧЕСКОЕ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

В шести томах

Под общей редакцией Б. А. Калина

Том 2 Основы материаловедения

Рекомендовано ИМЕТ РАН в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по направлению «Ядерные физика и технологии». Регистрационный номер рецензии 012

от 17 декабря 2007 года МГУП

Москва 2007

УДК 620.22(075) ББК 30.3я7 К17

ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ: Учебник для вузов: В 6 т. /Под общей ред. Б. А. Калина. – М.: МИФИ, 2007.

ISBN 978-5-7262-0821-3

Том2.Основыматериаловедения/ В.В.Нечаев,Е.А.Смирнов,С.А.Кох-

тев, Б. А. Калин, А. А. Полянский, В. И. Стаценко. – М.: МИФИ, 2007. –

608 с.

Учебник «Физическое материаловедение» представляет собой 6-ти томное издание учебного материала по всем учебным дисциплинам базовой материаловедческой подготовки, проводимой на 5–8 семестрах обучения студентов по кафедре Физических проблем материаловедения Московского инженерно-физического института (государственного университета).

Том 2 содержит учебный материал по основам материаловедения: «Термодинамика в материаловедении», «Диаграммы фазового равновесия», «Закономерности формирования структуры сплавов из расплава», «Совместимость и коррозия материалов».

Учебник предназначен для студентов, обучающихся по специальностям «Физика конденсированного состояния» и «Физика металлов» и аспирантов, специализирующихся в области физики конденсированных сред и материаловедения, и может быть полезен молодым специалистам в области физики металлов, физики твердого тела, материаловедения и металлургии.

Учебник подготовлен в рамках Инновационной образовательной программы

ISBN 978-5-7262-0823-7 (т.2)

ISBN 978-5-7262-0821-3

©Московский инженерно-физический институт

(государственный университет), 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ
Основные условные обозначения и сокращения ...................................	8
Предисловие к тому 2 ...............................................................................	13
Глава 4. ТЕРМОДИНАМИКА В МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ
Введение. Сущность термодинамического метода
как теоретической основы материаловедения.................................	15
4.1. Основные понятия термодинамики.............................................	17
4.1.1. Термодинамические величины, системы, процессы.............	17
4.1.2. Термодинамические параметры, общие с механикой...........	21
4.1.3. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики............	23
4.1.4. Температура. Второй закон термодинамики .........................	27
4.1.5. Уравнение состояния...............................................................	27
4.1.6. Энтальпия..................................................................................	28
4.1.7. Энтропия. Третий закон термодинамики ..............................	30
4.1.8. Процессы в изолированных системах ..................................	32
4.2. Метод термодинамических потенциалов......................................	36
4.2.1. Равновесие в изолированных системах..................................	36
4.2.2. Термодинамические потенциалы............................................	39
4.2.3. Экстремальные свойства потенциалов...................................	45
4.2.4. Химический потенциал ...........................................................	47
4.2.5. Явные условия термодинамического равновесия ................	54
4.3. Прикладная термохимия ................................................................	59
4.3.1. Теплоемкость ...........................................................................	59
4.3.2. Влияние температуры на термодинамические функции .....	63
4.3.3. Влияние давления на термодинамические величины...........	65
4.3.4. Стандарты термодинамики......................................................	67
4.3.5. Термохимические справочники..............................................	70
4.4. Фазовые равновесия ......................................................................	74
4.4.1. Общие понятия о фазах и фазовых равновесиях...................	74
4.4.2. Однокомпонентные системы. Фазовые переходы.................	77
4.4.3. Давление насыщенных паров. Тройная точка ......................	80
4.4.4. Правило фаз .............................................................................	82
4.4.5. Термодинамические стимулы фазовых превращений .........	84
4.4.6. Физические явления при фазовых превращениях ................	90
4.4.7. Условия стабильности фаз ......................................................	91
4.4.8. Гомогенное зарождение фаз ...................................................	96
4.4.9. Гетерогенное зародышеобразование .....................................	100
3

4.5. Термодинамика растворов .............................................................	102
4.5.1. Общие понятия о растворах ...................................................	102
4.5.2. Термодинамическое описание растворов ..............................	104
4.5.3. Идеальные растворы ..............................................................	108
4.5.4. Идеальные бинарные системы ...............................................	113
4.6. Физическая химия неидеальных растворов .................................	116
4.6.1. Термодинамика неидеальных растворов ...............................	116
4.6.2. Уравнение Гиббса–Дюгема ....................................................	120
4.6.3. Статистическая трактовка энергетики растворов..................	122
4.6.4. Совершенные растворы ..........................................................	129
4.6.5. Регулярные растворы...............................................................	133
4.6.6. Свойства регулярных растворов ............................................	138
4.6.7. Субрегулярные и квазирегулярные растворы .......................	142
4.7. Термодинамическая теория диаграмм состояния .......................	146
4.7.1. Постановка задачи ...................................................................	146
4.7.2. Основы графической термодинамики ...................................	148
4.7.3. Неидеальные системы с неограниченной растворимостью....	156
4.8. Системы с положительным отклонением от идеальности..........	161
4.8.1. Распад твердых растворов ......................................................	161
4.8.2. Спинодальныйраспад ...............................................................	169
4.8.3. Распадпомеханизмуростазародышей ....................................	174
4.8.4. Термодинамика последовательности выделения фаз ...........	177
4.8.5. Kоагуляция выделений ...........................................................	181
4.8.6. Термодинамика мартенситных превращений ......................	184
4.9. Системысотрицательнымотклонениемотидеальности ...................	189
4.9.1. Упорядочение...........................................................................	190
4.9.2. Термодинамическаятеория упорядочения ...............................	194
4.9.3. Статистическаятеорияупорядочения ......................................	199
4.9.4. Kвазихимическая трактовка ближнего порядка ...................	206
4.9.5. Системы с промежуточными фазами ....................................	209
Kонтрольные вопросы ..........................................................................	216
Список использованной литературы ...................................................	224
Глава 5. ДИАГРАММЫ ФАЗОВОГО РАВНОВЕСИЯ
Введение ................................................................................................	227
5.1. Однокомпонентные диаграммы фазового равновесия,
их построение и использование в науке и технике .....................	229
5.2. Двухкомпонентные диаграммы фазового равновесия ................	236
5.2.1. Диаграмма с полной взаимной растворимостью
компонентов в жидком и твердом состояниях .....................	236
4

5.2.2. Диаграмма с расслоением твердого раствора .......................	248
5.2.3. Диаграмма с наличием упорядочения ...................................	250
5.2.4. Диаграммы с наличием трехфазного равновесия
(их классификация) .................................................................	252
5.2.5. Диаграммы с эвтектическим и эвтектоидным
равновесиями ...........................................................................	258
5.2.6. Диаграммы с монотектическим и монотектоидным
равновесием .............................................................................	279
5.2.7. Диаграмма с метатектическим равновесием .........................	282
5.2.8. Диаграммы с перитектическим и перитектоидным
равновесиями ...........................................................................	284
5.2.9. Диаграмма с синтектическим равновесием ..........................	291
5.2.10. Диаграммы с промежуточными фазами ..............................	293
5.3. Диаграмма железо–углерод ..........................................................	299
5.4. Анализ сложных диаграмм фазового равновесия .......................	315
5.5. Фазовые равновесия в трехкомпонентных системах ..................	322
Контрольные вопросы ..........................................................................	332
Список использованной литературы ...................................................	335
Глава 6. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ
СТРУКТУРЫ СПЛАВОВ ИЗ РАСПЛАВА
6.1. Структура и структурно-фазовое состояние материалов............	337
6.2. Расплавы металлов и сплавов. Жидкое состояние ......................	340
6.2.1. Характеристика жидкого состояния .....................................	342
6.2.2. Структура расплавов ...............................................................	346
6.2.3. Связь структурных парциальных факторов с физическими
и физико-химическими свойствами расплавов ....................	356
6.2.4. Классификация расплавов ......................................................	358
6.2.5. Ассоциированные растворы ...................................................	365
6.3. Формирование структуры при затвердевании расплава .............	368
6.3.1. Контролируемое затвердевание расплава .............................	369
6.3.2. Затвердевание с искривленной поверхностью раздела ........	384
6.3.3. Затвердевание эвтектики .......................................................	395
6.3.4. Затвердевание перитектики ....................................................	401
6.3.5. Образование сегрегаций примесей при затвердевании .......	402
6.3.6. Методы воздействия на расплав ............................................	403
6.4. Закономерности сегрегации примесей .........................................	407
6.4.1. Адсорбция примесей в бинарных системах ..........................	408
6.4.2. Энергия связи атомов примеси с границей ...........................	409
6.4.3. Многослойная адсорбция в бинарных сплавах ....................	411
5