Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Калин Физическое материаловедение Том 5 2008

.pdf
Скачиваний:
886
Добавлен:
16.08.2013
Размер:
8.51 Mб
Скачать

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

Fсвободная 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

Q1 – 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;

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.