Калин Физическое материаловедение Том 2 Основы материаловедения 2007
.pdfФедеральное 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 |
|
6.4.4. Конкуренция примесей при адсорбции на одном стоке ...... |
414 |
6.4.5. Взаимодействие примесей в многокомпонентных |
|
системах .................................................................................... |
416 |
6.5. Сегрегации примесей и охрупчивание материалов .................... |
418 |
6.5.1. Введение в разрушение материалов ...................................... |
418 |
6.5.2. Охрупчивание реальных материалов ..................................... |
425 |
6.5.3. Направления снижения охрупчивания материалов ............. |
437 |
Контрольные вопросы .......................................................................... |
440 |
Список использованной литературы ................................................... |
443 |
Глава 7. СОВМЕСТИМОСТЬ И КОРРОЗИЯ МАТЕРИАЛОВ |
|
7.1. Физико-химические основы взаимодействия |
|
материалов с окружающей средой................................................... |
445 |
7.1.1. Совместимость материалов со средой ................................... |
445 |
7.1.2. Коррозия. Основные понятия и определения ....................... |
447 |
7.1.3. Коррозионные проблемы ........................................................ |
449 |
7.1.4. Роль термодинамики и химической кинетики |
|
при исследовании процессов коррозии ................................. |
450 |
7.1.5. Классификация процессов коррозии ..................................... |
452 |
7.2. Химическая коррозия металлов .................................................... |
458 |
7.2.1. Химическая газовая коррозия ................................................ |
458 |
7.2.2. Термодинамика химической газовой коррозии металлов .. |
460 |
7.2.3. Пленки на металлах как продукты химической |
|
газовой коррозии ..................................................................... |
465 |
7.2.4. Состав и структура оксидов. Эпитаксия ............................... |
471 |
7.2.5. Толщина и защитные свойства пленок .................................. |
474 |
7.2.6. Кинетика химической газовой коррозии металлов .............. |
478 |
7.2.7. Механизм химической газовой коррозии .............................. |
481 |
7.2.8. Оксидные пленки на поверхности железа ............................. |
489 |
7.2.9. Формирование защитных жаростойких пленок |
|
на металлах ............................................................................... |
493 |
7.2.10. Влияние внешних и внутренних факторов |
|
на химическую коррозию металлов ....................................... |
498 |
7.2.11. Химическая коррозия в газовых теплоносителях ............... |
504 |
7.3. Электрохимическая коррозия ....................................................... |
506 |
7.3.1. Основные признаки и причины .............................................. |
506 |
7.3.2. Электролиты ............................................................................ |
507 |
7.3.3. Механизм электрохимической коррозии. Работа |
|
гальванического элемента ...................................................... |
508 |
7.3.4. Гетерогенность поверхности и микрогальванические |
|
элементы ................................................................................... |
510 |
6 |
|
7.3.5. Явления на границе раздела фаз металл–электролит ........... |
513 |
7.3.6. Электродные потенциалы ....................................................... |
517 |
7.3.7. Термодинамика процессов электрохимической |
|
коррозии металлов ................................................................... |
524 |
7.3.8. Диаграммы Пурбе .................................................................... |
525 |
7.3.9. Кинетика электрохимических процессов коррозии ............. |
526 |
7.3.10. Электрохимическая защита .................................................. |
555 |
7.4. Коррозия в жидкометаллических средах ..................................... |
559 |
7.4.1. Типы процессов ....................................................................... |
559 |
7.4.2. Растворение твердого металла в жидком .............................. |
560 |
7.4.3. Влияние примесей в жидких металлах |
|
на их совместимость с материалами ...................................... |
569 |
7.4.4. Основные пути снижения взаимодействия |
|
конструкционных материалов с жидкометаллическими |
|
теплоносителями ..................................................................... |
572 |
7.5. Защита от коррозии на стадии проектирования и разработки |
|
конструкций ...................................................................................... |
575 |
7.5.1. Коррозия и вопросы конструирования .................................. |
575 |
7.5.2. Выбор материалов и их совместимость в конструкции |
..... 576 |
7.5.3. Выбор рациональной формы элементов и конструкций ...... |
578 |
7.5.4. Учет влияния механических нагрузок ................................... |
581 |
7.5.5. Рациональные способы сборки конструкций ....................... |
582 |
Контрольные вопросы .......................................................................... |
587 |
Список использованной литературы ................................................... |
590 |
Предметный указатель ......................................................................... |
593 |
7
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
a – термодинамическая активность; некоторая константа
a(K) – структурный фактор рассеяния
aij (K) – парциальный структурный фактор
ak – работа разрушения материала
A– 1-й компонент раствора (основа); константа, зависящая от свойств (состава) расплава; площадь поверхности зародыша твердой фазы
B– 2-й компонент раствора
bi – константы c – теплоемкость
С – число степеней свободы; гетерогенный зародыш; концентрация в электролите
Ci– концентрация компонента, примеси
Co – выбранный состав сплава d – толщина; размер зерна
D – коэффициент диффузии; деполяризатор
DL – коэффициент диффузии компонента в жидкой фазе
e– – электрон
E – модуль нормальной упругости; энергия упорядочения атомов Ed – энергия связи примеси с дефектом
F – число Фарадея
f(K) – атомный фактор рассеяния g(r) – безразмерная функция радиального распределения атомов
G – свободная энергия (потенциал) Гиббса системы; интегральная молярная энергия Гиббса раствора
Gb – свободная энергия связи атомов примеси с границей
Gbo – свободная энергия связи атомов с границей без примесей
Gc – свободная энергия связи атомов примеси с атомами матрицы в твердом растворе
Gco – свободная энергия связи атомов в беспримесном твердом растворе
GL – энергии связи примеси L с границей
GM – энергии связи примеси M с границей
h – высота зародыша; толщина пленки, слоя; коэффициент теплопередачи
H° – стандартная абсолютная энтальпия
Hпл – энтальпия плавления i – сила тока
I – скорость образования зародышей
I(K) – интерференционная функция Io – константа
j – плотность тока
k – постоянная Больцмана
k – волновой вектор рассеянного излучения; вектор обратной решетки
ko – волновой вектор падающего излучения
kp – константа химического равновесия
K1C – вязкость разрушения
Kо – равновесный коэффициент распределения
8
Kэф – эффективный коэффициент распределения
KГ – константа Генри l – длина слитка
l1–2 – наименьшее расстояние между ветвями у вершины дендрита
lx – длина зоны
L – жидкая фаза; емкость двойного электрического слоя
m – наклон кривой ликвидуса M – молекулярная масса; масса
n – количество вещества в молях; показатель степени; число проходов
ne – предельная концентрация электронов; число электронов
no – среднее число атомов в единичном объеме
N – число атомов
NА – число Авогадро P – вероятность
p – давление
pi – парциальное давление
p° – давление насыщенных паров над чистым веществом
pH – показатель кислотности раствора
Q – тепло; скрытая теплота плавления
q – тепловой поток
r – размер кристалла; расстояние ri – радиус иона; радиус атома матрицы; радиус атома примеси
rкр – критический размер зародыша твердой фазы
R – скорость затвердевания; тепловое сопротивление
R– универсальная газовая постоянная
S° – стандартное значение энтропии S – твердая фаза
Sij(K) – флуктуационный структурный фактор
T – температура
TL – температура жидкой фазы
To – температура окружающей среды
TS – температура твердой фазы
Tи – равновесная температура искривленной поверхности
Tкомн – комнатная температура Tкр – критическая температура
Tп – температура поверхности твердой фазы
Tпл – температура плавления Tф – температура изложницы
Tх – температура хрупко-вязкого перехода
Tэ – эквикогезивная температура U – внутренняя энергия
Uij – энергия взаимодействия атомов i и j
Uсм – молярная энергия смешения V – объем
Vзар – объем зародыша W – работа
W – энергия взаимообмена
x – мольная доля; длина твердой перекристаллизованной фазы
xb – мольная концентрация примеси на границе
xbo – предельный уровень мольной концентрации примеси на границе, принимаемый равным целому монослою
xc – мольная концентрация примеси в теле зерна
z– координационное число; заряд иона
z – среднее координационное число в жидкости
Z – порядковый номер элемента; валентность 2θ – угол отклонения пучка
– изменение величины
9
F° – стандартное значение свободной энергии Гельмгольца
G° – стандартное значение свободной энергии Гиббса
Gm – интегральная молярная энергия Гиббса раствора
GM – энергия смешения Гиббса g – разность энергий Гиббса жидкой и твердой фаз
GA – изменение энергии Гиббса на единицу создаваемой поверхности раздела фаз
GV – изменение энергии Гиббса на единицу объема
Gгет – свободная энергия гетерогенного зародышеобразования Gгом – свободная энергия гомогенного зародышеобразования
Gизб – избыточная молярная энергия Гиббса
Gупр – упругая составляющая свободной энергии
Gхим – химическая составляющая свободной энергии
HM – молярная энтальпия смешения
H1ат – изменение энтальпии при образовании соединения, отнесенное к одному грамм-атому или молю сплава
Sизб – избыточная энтропия
T′ – степень отклонения равновесной температуры (Tи) искривленной границы раздела твердая фаза–жидкая фаза от температуры плавления (Tпл)
Ti– разница температур
Tmax – переохлаждение, при котором наблюдается максимальная скорость образования зародышей Ткр – критическое переохлаждение
Tк – степень концентрационного переохлаждения
V – изменение объема
z – разница в координационных числах атомов в решетке зерна и на его границе– градиент
α – степень ближнего порядка α, β, γ – обозначения твердых фаз β – растворимость в расплаве γ – коэффициент активности
δ– знак вариации; относительное удлинение
ε– энергия взаимодействия на одну связь атомов; деформация
ε11 – энергия взаимодействия атомов матрицы ε12 – энергия взаимодействия ато-
мов матрицы и примеси ε22 – энергия взаимодействия атомов примеси
εd – диэлектрическая постоянная среды
εi – энергия системы, находящейся в i-м состоянии
εпл – пластическая составляющая деформации εупр – упругая составляющая деформации
λ – теплопроводность μ – химический потенциал
χ– электроотрицательность χт – изотермическая сжимаемость
η– параметр порядка в расположении атомов; перенапряжение электродной реакции
Ω – параметр взаимодействия Ω(εi) – набор состояний, в которых может находиться система с энергией
10