Калин Физическое материаловедение Том 5 2008

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ФИЗИЧЕСКОЕ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

В шести томах

Под общей редакцией Б. А. Калина

Том 5 Материалы с заданными свойствами

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

обучающихся по направлению «Ядерные физика и технологии» Регистрационный номер рецензии 182

от 20 ноября 2008 года МГУП

Москва 2008

УДК 620.22(075) ББК 30.3я7 К17

ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ: Учебник для вузов: В 6 т.

/Под общей ред. Б.А. Калина. – М.: МИФИ, 2008.

ISBN 978-5-7262-0821-3

Том 5. МАТЕРИАЛЫ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ/ М.И. Алымов, Г.Н.

Елманов, Б.А. Калин, А.Н. Калашников, В.В. Нечаев, А.А. Полянский, И.И. Чернов, Я.И. Штромбах, А.В. Шульга. – М.: МИФИ, 2008. – 672 с.

Учебник «Физическое материаловедение» представляет собой 6-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 5 содержит учебные материалы по темам: «Принципы выбора и разработки материалов с заданными свойствами», «Высокочистые вещества, металлы и монокристаллы», «Методы получения и обработки материалов», «Стабилизация структурно-фазового состояния материалов», «Аморфные металлические сплавы», «Наноструктурные материалы», «Функциональные материалы».

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

Учебник подготовлен в рамках Инновационной образовательной программы

ISBN 978-5-7262-0821-3

ISBN 978-5-7262-0945-6 (т.5)

©Московский инженерно-физический институт (государственный университет), 2008

ОГЛАВЛЕНИЕ

Основные условные обозначения и сокращения .................................	9
Предисловие к тому 5 .............................................................................	13
Глава 16. ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА И РАЗРАБОТКИ
МАТЕРИАЛОВ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ ...............	16
16.1. Основные этапы выбора или создания материала...................	18
16.1.1. Анализ условий работы изделия ........................................	18
16.1.2. Анализ конструкции и совместного действия
конструктивных элементов ................................................	30
16.1.3. Анализ технологии изготовления
и обработки деталей ............................................................	30
16.1.4. Классификация материалов ................................................	31
16.1.5. Формирование требований к свойствам материалов .......	39
16.2. Принципы определения состава материалов
с заданными свойствами ..............................................................	69
16.2.1. Синтез сплавов ....................................................................	70
16.2.2. Выбор основы сплава ..........................................................	73
16.2.3. Выбор легирующих элементов ...........................................	77
16.2.4. Выбор легирующего комплекса .........................................	101
16.2.5.Окончательный выбор состава сплава ................................	104
Контрольные вопросы ........................................................................	106
Список использованной литературы .................................................	108
Глава 17. ВЫСОКОЧИСТЫЕ ВЕЩЕСТВА, МЕТАЛЛЫ
И МОНОКРИСТАЛЛЫ ..............................................................	109
17.1. Свойства сверхчистых материалов ..........................................	112
17.1.1. Требования к чистоте материалов .....................................	112
17.1.2. Примесночувствительные свойства сверхчистых
металлов ................................................................................	114
17.1.3. Методы анализа высокочистых веществ ...........................	117
17.2. Методы получения высокочистых веществ ............................	118
17.2.1. Стадии получения высокочистых веществ .......................	118
17.2.2. Жидкостная экстракция ......................................................	121
17.2.3. Дистилляционные методы...................................................	124
17.3. Получение сверхчистых металлов ............................................	128
17.3.1. Восстановление химических соединений .........................	128
17.3.2. Химические транспортные реакции
(CVD-технология) ...............................................................	132
17.3.3. Вакуумная металлургия ......................................................	136
17.4. Методы выращивания монокристаллов ...................................	139
17.4.1. Основные положения ..........................................................	139
17.4.2. Контейнерные методы выращивания кристаллов ............	140
17.4.3. Бесконтейнерные методы ...................................................	147
3

Контрольные вопросы ........................................................................	151
Список использованной литературы .................................................	153
Глава 18. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ОБРАБОТКИ
МАТЕРИАЛОВ ............................................................................	154
18.1. Основы металлургии стали .......................................................	154
18.1.1. Производство чугуна............................................................	156
18.1.2. Производство стали .............................................................	163
18.1.3. Производство некоторых цветных металлов ....................	179
18.2. Основы технологии литейного производства .........................	190
18.2.1. Общие сведения ...................................................................	190
18.2.2. Технология получения отливок .........................................	191
18.2.3. Литейные сплавы .................................................................	194
18.2.4. Специальные способы литья ..............................................	199
18.3. Технология термической обработки стали ..............................	202
18.3.1. Термическая обработка стали ............................................	205
18.4. Химико-термическая обработка стали .....................................	216
18.4.1. Цементация ..........................................................................	218
18.4.2. Азотирование .......................................................................	220
18.4.3. Цианирование и нитроцементация ....................................	222
18.4.4. Методы механического упрочнения поверхности ...........	223
18.5. Обработка металлов давлением ................................................	224
18.5.1. Классификация методов обработки металлов
давлением ..............................................................................	225
18.5.2. Оборудование для обработки материалов
давлением...............................................................................	226
18.5.3. Основы обработки металлов давлением ............................	228
18.5.4. Прокатное производство .....................................................	228
18.5.5. Производство труб и спецпрофилей ..................................	233
18.5.6. Ковка, штамповка, прессование и волочение ...................	239
18.6. Основы порошковой металлургии ...........................................	246
18.6.1. Основные этапы производства изделий из порошков.......	248
18.6.2. Получение порошков ..........................................................	249
18.6.3. Формование порошков ........................................................	251
18.6.4. Спекание и последующая обработка .................................	253
18.6.5. Современные направления порошковой металлургии .....	255
18.7. Методы сварки ...........................................................................	257
18.7.1. Классификация способов сварки плавлением и
давлением .............................................................................	257
18.7.2. Некоторые основные виды сварки .....................................	259
18.7.3. Специальные виды сварки ..................................................	265
18.7.4. Проблемы создания сварных соединений атомной
техники..................................................................................	269
4

18.8. Методы пайки .............................................................................	270
18.8.1. Технологическая классификация способов пайки ...........	270
18.8.2. Технологические и вспомогательные материалы
при пайке ..............................................................................	271
18.8.3. Быстрозакаленные припои .................................................	275
18.8.4. Флюсовая и бесфлюсовая пайка ........................................	282
18.8.5. Контактно-реактивная и реактивно-флюсовая пайка ......	283
18.9. Технологии физико-химических и радиационно-пучковых
методов обработки материалов ................................................	284
18.9.1. Электрохимические способы обработки ...........................	284
18.9.2. Электроэрозионные способы обработки ...........................	286
18.9.3. Радиационно-пучковые технологии ..................................	289
18.9.4. Радиационно-пучковое модифицирование
поверхности .........................................................................	290
Контрольные вопросы ........................................................................	303
Список использованной литературы .................................................	305
Глава 19. СТАБИЛИЗАЦИЯ СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО
СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛОВ................................................	307
19.1. Проблема стабильности структурно-фазового состояния
материалов ..................................................................................	308
19.2. Движущие силы изменения структурно-фазового
состояния ....................................................................................	310
19.3. Основные механизмы изменения структурно-фазового
состояния ....................................................................................	312
19.4. Нестабильность СФС, вызванная изменением химической
составляющей свободной энергии ............................................	314
19.4.1. Нестабильность, вызванная неравномерным
распределением растворенных компонентов ....................	314
19.4.2. Распад пересыщенного твердого раствора ........................	319
19.5. Нестабильность структуры, обусловленная влиянием
энергии деформации ..................................................................	331
19.5.1. Запасенная энергия холодной деформации .......................	331
19.5.2. Механизмы накопления энергии деформации ..................	333
19.5.3. Возврат .................................................................................	336
19.5.4. Рекристаллизация ................................................................	338
19.6. Нестабильность структуры, вызванная влиянием
поверхностей раздела ................................................................	350
19.6.1. Поверхностная энергия и поверхностное натяжение .......	350
19.6.2. Процессы, контролируемые изменением
поверхностной энергии ......................................................	354
19.6.3.Стабильность волокнистых и пластинчатых структур .....	368
5

19.6.4. Изменение микроструктуры под влиянием энергии
междузеренных границ ..........................................................	371
19.7. Другие внешние причины нестабильности
структурно-фазового состояния ...............................................	378
19.8. Торможение и регулирование структурно-фазовых
изменений ...................................................................................	389
Контрольные вопросы ........................................................................	398
Список использованной литературы .................................................	399
Глава 20. АМОРФНЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ ....................	400
20.1. Методы получения аморфных металлических сплавов .........	400
20.1.1. Скоростное затвердевание расплава ..................................	401
20.1.2. Локальное испарение ..........................................................	403
20.1.3. Изменение структуры в твердом состоянии .....................	430
20.1.4. Аморфные осадки ................................................................	404
20.2. Особенности аморфного состояния .........................................	404
20.3. Критическая скорость охлаждения расплава ..........................	406
20.4. Физико-химические факторы формирования аморфного
состояния .....................................................................................	408
20.4.1.Приведенные температуры .................................................	409
20.4.2. Физико-химические свойства компонентов сплава .........	411
20.4.3. Влияние химической связи на аморфизацию сплавов .....	413
20.5. Классификация аморфных металлических сплавов ................	416
20.6. Бездиффузионное затвердевание расплава ..............................	418
20.7. Структура аморфных сплавов ...................................................	424
20.7.1. Порядок в расположении атомов в АМС ..........................	424
20.7.2. Структура АМС ...................................................................	427
20.7.3. Модели структуры аморфных тел ......................................	428
20.7.4. Структурные дефекты в аморфных сплавах .....................	432
20.8. Термическая стабильность аморфных сплавов .......................	433
20.8.1. Структурная релаксация в аморфных сплавах .................	434
20.8.2. Кристаллизация аморфных сплавов ..................................	436
20.9. Механические свойства аморфных сплавов ............................	442
20.9.1. Упругие характеристики .....................................................	442
20.9.2. Прочность аморфных сплавов ............................................	444
20.9.3. Пластичность аморфных сплавов ......................................	446
20.9.4. Вязкость разрушения аморфных сплавов .........................	448
20.9.5. Зависимость механических свойств от температуры
и скорости деформации ......................................................	449
20.9.6. Усталость аморфных сплавов .............................................	451
20.9.7. Механизмы деформации аморфных сплавов ....................	452
20.10. Магнитные свойства аморфных сплавов ...............................	453
6

20.11. Электрические свойства аморфных сплавов .........................	460
20.12. Химические свойства аморфных сплавов ..............................	463
20.13. Радиационная стойкость аморфных сплавов .........................	466
20.14. Применение аморфных сплавов .............................................	468
20.15. Массивные аморфные сплавы ................................................	476
Контрольные вопросы .......................................................................	477
Список использованной литературы .................................................	478
Глава 21. НАНОСТРУКТУРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ...............................	479
21.1. Классификация наноматериалов ..............................................	480
21.2. Свойства изолированных наночастиц ......................................	483
21.2.1. Структурные и фазовые превращения ...............................	485
21.2.2. Параметры решетки ............................................................	487
21.2.3. Фононный спектр и теплоемкость .....................................	489
21.2.4. Температура плавления ......................................................	489
21.2.5. Магнитные свойства ...........................................................	491
21.2.6. Оптические свойства ...........................................................	493
21.2.7. Реакционная способность ...................................................	496
21.2.8. Механические свойства ......................................................	497
21.3. Методы синтеза нанокристаллических порошков ..................	497
21.4. Методы получения объемных наноматериалов ......................	504
21.4.1. Консолидация нанопорошков ............................................	505
21.4.2. Кристаллизация аморфных сплавов ..................................	514
21.4.3. Метод интенсивной пластической деформации ...............	514
21.5. Физико-механические свойства объемных
наноматериалов ...........................................................................	517
21.5.1. Модули упругости ...............................................................	517
21.5.2. Механические свойства наноматериалов ..........................	518
21.6. Применение наноматериалов.....................................................	523
Контрольные вопросы ........................................................................	527
Список литературы .............................................................................	528
Глава 22. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ................................	530
22.1. Материалы с особыми ядерно-физическими свойствами ......	530
22.1.1. Материалы с малым сечением захвата тепловых
нейтронов .............................................................................	530
22.1.2. Материалы органов регулирования работы
ядерных реакторов ..............................................................	535
22.1.3. Перспективные материалы органов регулирования .........	542
22.1.4. Выгорающие поглотители ..................................................	544
22.1.5. Материалы – замедлители нейтронов ................................	547
22.1.6. Материалы – отражатели нейтронов .................................	554
22.1.7. Материалы защиты от излучения ......................................	555
7

22.2. Материалы с особыми электромагнитными свойствами.......	557
22.2.1. Магнитные материалы .....................................................	557
22.2.2. Материалы с особыми электрическими свойствами .......	570
22.3. Материалы с высокими значениями твердости .....................	578
22.3.1. Инструментальные стали .................................................	578
22.3.2. Твердые сплавы ...............................................................	582
22.3.3. Сверхтвердые материалы ................................................	583
22.4. Материалы с высокими значениями модуля упругости ........	586
22.4.1. Характеристики упругости твердого тела .......................	586
22.4.2. Пружинные материалы ....................................................	589
22.5. Материалы, склонные к пластичности ..................................	596
22.5.1. Явление сверхпластичности ............................................	596
22.5.2. Материалы со сверхпластичными свойствами
и области их применения .................................................	603
22.6. Материалы с «интеллектом» .................................................	605
22.6.1. Особенности мартенситных превращений ......................	606
22.6.2. Материалы с эффектом памяти формы ...........................	617
22.6.3. Область применения материалов с эффектом
памяти формы ..................................................................	630
22.7. Материалы с особыми тепловыми и упругими свойствами..	634
22.7.1. Сплавы с заданным значением температурного
коэффициента линейного расширения ............................	634
22.7.2. Сплавы с заданным температурным коэффициентом
модуля упругости ............................................................	641
22.7.3. Функциональные градиентные материалы .....................	647
Контрольные вопросы ....................................................................	651
Список использованной литературы ..............................................	653
Предметный указатель .......................................................................	655

8

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

аk – удельная работа зарождения и роста трещины

aк – работа разрушения; удельная ударная вязкость

аз – работа зарождения трещины ар – работа роста трещины А – аустенит

Ас1, Ас3 – критические точки стали B – магнитная индукция

Biv – энергия связи атома и вакансии Ci – концентрация i-го компонента Di – коэффициент диффузии i-го

компонента

~

D – коэффициент взаимной диффузии

Dv – коэффициент диффузии вакансий

eij – удлинение; деформация

E – модуль Юнга; напряженность электрического поля; полная энергия электрона

ЕF – энергия образования точечного дефекта

Eгр – энергия малоугловой границы Eдин– динамическое упругоесвойство Eсд – энергия активации самодиффу-

зии

Eст – статическое упругое свойство fT – свободный объем

F– свободная энергия Гельмгольца; сила

G– модуль сдвига;

свободная энергия Гиббса G1C – работа образования новой поверхности раздела

Gдин – динамическоеупругоесвойство Gст – статическое упругое свойство h – постоянная Планка

hкор – глубина поврежденного коррозией слоя

(hkl) – индексы плоскости

9

{hkl} – кристаллографические плоскости определенного типа

Н– напряженность магнитного поля; энтальпия

НВ – твердость по Бринелю Hμ – микротвердость

Hк – критическое магнитное поле

Hкоэр – коэрцитивная сила Hc

I – намагниченность; потенциал ионизации; сила тока

Iнас – намагниченность насыщения Iост – остаточная намагниченность J – диффузионный поток вещества j – плотность электрического тока k – постоянная Больцмана

kr – коэффициент распределения K – коэффициент всестороннего сжатия; коэффициент компактности K ос – коэффициент уковки

K1 – коэффициент интенсивности напряжений

K1, K2 – плоскости двойникования K1C – вязкость разрушения

l – длина свободного пробега l0 – исходная длина образца

lкр – критическая длина трещины m – масса

Мн, Мк – температура начала и конца мартенситного превращения

n – концентрация; число молей nв, – запас прочности

nдп – запас по пределу длительной прочности

nп – запас по пределу ползучести NA – число Авогадро

p – давление p+ – протон

Pi – механическая нагрузка q – поток тепла

qA – сжимаемость атомов

qs – тепловой поток

qs – тепловой поток от внешнего источника тепла к поверхности

qv – объемное энерговыделение Q – тепло

Q–1 – внутреннее трение

QL – скрытая теплота плавления (кристаллизации)

r – расстояние

R – газовая постоянная

R – электросопротивление; радиус поры

Rc – критическая скорость охлаждения расплава

Rc – скорость затвердевания RX – постоянная Холла

Rох – скорость охлаждения расплава sij – податливость

S – энтропия t – время;

Tgt – приведенная температура стеклования

Tx – температура кристаллизации аморфного материала

Tк – критическая температура Т – температура

Т0хр – критическая температура хрупкости материала в исходном состоянии

Т1/2 – период полураспада Тg – температура стеклования

Те – эвтектическая температура Тпл – температура плавления Тр – рабочая температура

Трекр – температура рекристаллизации Тс – температура кристаллизации Тф.п – температура фазового превра-

щения

ТN – сдвиг критической температуры от усталостных поврежденийТкор – сдвиг критической темпера-

туры от коррозии

10

Трад – сдвиг критической температуры от радиационных повреждений

Тст – сдвиг критической температуры от старения материала

Тхр – изменение температуры хруп- ко-вязкого перехода

U – внутренняя энергия v – скорость

vзв – скорость звука V – объем; вакансия

Vа – атомный (мольный) объем xi – мольная доля

z – координационное число

Z– валентность; число электронов; число атомов в элементарной ячейке

– растворимость; температурный коэффициент электросопротивления; параметр ближнего порядка

т относительная дифференциальная термоЭДС

– коэффициент объемного термического расширения

γ – удельная электропроводимость

– относительное удлинение; толщина скин-слоя

0 – общее удлинение– деформация

ij – энергия, приходящаяся на одну связь атомов типа i и j

– параметр взаимодействияD – температура Дебая

K – температура Кюри

N – температура Нееля

λ – теплопроводность; глубина проникновения магнитного поля; длина волны; коэффициент вытяжки;