Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Фазовые превращения и структурообразование

Покупка
Артикул: 751106.01.99
Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину
Изложены основы материаловедения, позволяющие проследить взаимосвязь химического состава, структуры и свойств материалов. Описаны процессы формирования атомной структуры, нано-, микро- и макроструктуры при протекании кристаллизации и различных фазовых превращений в твердом состоянии в одно-, двух- и трехкомпонентных материалах. Разобраны приемы работы с диаграммами фазового равновесия двойных и тройных систем. Приведены примеры методов управления структурой, используемые в различных технологиях производства и обработки материалов. Для студентов, обучающихся по направлениям бакалавриата 22.03.01 «Материаловедение и технология материалов», 03.03.02 «Физика», 28.03.03 «Наноматериалы», может быть использован аспирантами и инженерно-техническими работниками, занимающимися металлофизикой и материаловедением.
Столяров, В. Л. Фазовые превращения и структурообразование : учебник / В. Л. Столяров, Е. С. Малютина, В. Ю. Введенский. - Москва : Дом НИТУ «МИСиС», 2018. - 266 с. - ISBN 978-5-906846-85-3. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1223196 (дата обращения: 28.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

ИНСТИТУТ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

Кафедра физического материаловедения

В.Л. Столяров 
Е.С. Малютина 
В.Ю. Введенский 

Фазовые превращения
и структурообразование 

Учебник 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва 2018 

 

УДК 669.01 
 
С81 

Р е ц е н з е н т ы :  
д-р техн. наук, проф. Н.Р. Кузелёв (АО «Энергомонтаж интернэшл»); 
канд. техн. наук Г.А. Нуждин 

Столяров В.Л. 
С81  
Фазовые превращения и структурообразование : учебник / 
В.Л. Столяров, Е.С. Малютина, В.Ю. Введенский. – М. : Изд. 
Дом НИТУ «МИСиС», 2018. – 266 с. 
ISBN 978-5-906846-85-3 

Изложены основы материаловедения, позволяющие проследить взаимосвязь химического состава, структуры и свойств материалов. Описаны процессы формирования атомной структуры, нано-, микро- и макроструктуры 
при протекании кристаллизации и различных фазовых превращений в твердом состоянии в одно-, двух- и трехкомпонентных материалах. Разобраны 
приемы работы с диаграммами фазового равновесия двойных и тройных систем. Приведены примеры методов управления структурой, используемые в 
различных технологиях производства и обработки материалов. 
Для студентов, обучающихся по направлениям бакалавриата 22.03.01 «Материаловедение и технология материалов», 03.03.02 «Физика», 28.03.03 «Наноматериалы»; может быть использован аспирантами и инженерно-техническими работниками, занимающимися металлофизикой и материаловедением. 

УДК 669.01 

 
 
 
ISBN 978-5-906846-85-3 

 В.Л. Столяров, 
Е.С. Малютина, 
В.Ю. Введенский, 2018 
 НИТУ «МИСиС», 2018 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие .............................................................................................. 8 
Введение ......................................................................................... 10 
1. Металлические материалы их структура ..................................... 14 
2. Кристаллизация ........................................................................... 18 
2.1. Определения ................................................................................ 18 
2.2. Способы описания фазовых превращений ............................... 19 
2.3. Термодинамика кристаллизации ............................................... 20 
2.4. Кривые охлаждения и нагрева .................................................. 23 
2.5. Микроскопическое описание кристаллизации ........................ 25 
2.6. Кинетика кристаллизации .......................................................... 31 
2.7. Влияние кинетики кристаллизации на микроструктуру ......... 34 
2.8. Зарождение кристаллов ............................................................. 35 
2.8.1. Гомогенное зарождение кристаллов ................................. 35 
2.8.2. Гетерогенное зарождение ................................................... 41 
2.9. Модифицирование расплава ...................................................... 42 
2.10. Рост кристаллов ........................................................................ 43 
2.10.1. Атомное строение поверхности кристалла ..................... 43 
2.10.2. Механизмы роста .............................................................. 47 
2.11. Равновесная форма кристаллов ............................................... 50 
2.12. Неравновесное затвердевание ................................................. 55 
2.12.1. Отклонение от термического равновесия ....................... 55 
2.12.2. Степень переохлаждения .................................................. 57 
2.12.3. Градиент температуры ...................................................... 60 
2.13. Строение слитка........................................................................ 65 
3. Двойные диаграммы фазового равновесия .................................. 68 
3.1. Общие представления о диаграммах фазового равновесия .... 68 
3.2. Классическая термодинамика фазового равновесия ............... 71 
3.3. Термодинамическое описание равновесия .............................. 73 
3.4. Правило фаз ................................................................................ 73 
3.5. Двухфазное и трехфазное равновесие 
в двухкомпонентных системах ......................................................... 76 
3.6. Основы графического метода построения диаграмм 
фазового равновесия .......................................................................... 80 
3.7. Нонвариантные равновесия в двойных системах 
и их классификация ............................................................................ 84 
3.8. Пример расчета количества фаз ................................................ 88 

3.9. Примеры трехфазного равновесия ............................................ 89 
3.10. Данные о диаграммах фазового равновесия и их анализ ..... 90 
3.11. Формирование структуры в сплавах с неограниченной 
растворимостью в жидком и твердом состоянии ............................ 95 
3.11.1. Описание диаграммы ............................................................ 95 
3.11.2. Формирование структуры в условиях, близких к 
равновесию ..................................................................................... 95 
3.11.3. Формирование структуры в условиях отклонения 
от равновесия ................................................................................. 98 
3.11.4. Направленная кристаллизация и зонная плавка ........... 103 
3.11.5. Безизбирательная кристаллизация ................................ 106 
3.12. Диаграммы с экстремумом на линиях двухфазного 
равновесия ........................................................................................ 108 
3.13. Диаграммы с промежуточными фазами 
и химическими соединениями ........................................................ 110 
3.14. Диаграммы с эвтектическими и эвтектоидными 
превращениями ................................................................................. 116 
3.14.1. Общие закономерности .................................................. 116 
3.14.2. Механизмы эвтектического и эвтектоидного 
превращений ................................................................................. 118 
3.14.3. Разделенная эвтектика .................................................... 122 
3.14.4. Формирование структуры сплавов с наличием 
эвтектики ...................................................................................... 125 
3.14.5. Экспериментальное определение составов фаз 
при эвтектическом превращении ............................................... 127 
3.14.6. Эвтектическая кристаллизация в условиях 
отклонения от равновесия ........................................................... 129 
3.14.7. Ликвация по плотности .................................................. 133 
3.14.8. Ретроградный солидус и экстраполяция линий 
диаграмм ....................................................................................... 134 
3.14.9. Использование эвтектического превращения 
для сертификации металлопродукции ....................................... 136 
3.14.10. Эвтектическое и эвтектоидное превращения 
при нагреве ................................................................................... 137 
3.15. Диаграммы с перитектическими и перитектоидными 
превращениями ................................................................................. 137 
3.15.1. Общие закономерности .................................................. 137 

3.15.2. Перитектическое превращение в условиях 
равновесия .................................................................................... 140 
3.15.3. Формирование структуры в условиях отклонения 
от равновесия ................................................................................ 142 
3.16. Расслоение и упорядочение растворов ................................. 145 
3.17. Диаграммы фазового равновесия с монотектическим 
и метатектическим превращениями ............................................... 152 
3.18. Механизмы распада твердых растворов ............................... 157 
3.18.1. Общие закономерности .................................................. 157 
3.18.2. Зародышевый и спинодальный механизмы распада .... 158 
3.18.3. Механизмы зародышевого распада ............................... 162 
3.18.4. Особенности распада при образовании 
метастабильных фаз ..................................................................... 164 
3.19. Коалесценция частиц. Растворно-осадительный 
механизм ........................................................................................... 166 
3.20. Механизмы аллотропических превращений в сплавах ....... 169 
3.20.1. Общие закономерности .................................................. 169 
3.20.2. Отжиг. Зеренная структура ............................................ 171 
3.20.3.Ускоренное охлаждение. 
Видманштеттова структура ......................................................... 171 
3.20.4. Быстрое охлаждение. Массивное превращение ........... 173 
3.20.5. Закалка. Мартенситное превращение ............................ 173 
3.20.6. Эффекты сверхупругости, памяти формы и 
сверхдемпфирования ................................................................... 179 
3.21. Пример анализа диаграммы фазового равновесия и 
структурообразования в ней ............................................................ 185 
4. Трехкомпонентные диаграммы фазового равновесия ................ 191 
4.1. Концентрационный треугольник и отображение состава .... 191 
4.2. Определение массовой доли фаз ............................................. 196 
4.3. Типы нонвариантного равновесия в тройных диаграммах .. 200 
4.4. Отображение тройных диаграмм фазового равновесия ....... 202 
4.5. Система с неограниченной растворимостью 
в твердом состоянии......................................................................... 202 
4.5.1. Общая характеристика диаграммы .................................. 203 
4.5.2. Политермические сечения ................................................ 204 
4.5.3. Изотермические сечения .................................................. 205 
4.6. Диаграмма равновесия с двойной эвтектической 
реакцией ............................................................................................ 208 

4.6.1. Общая характеристика диаграммы ................................. 208 
4.6.2. Политермические сечения ................................................ 211 
4.6.3. Изотермические сечения .................................................. 212 
4.6.4. Определение количества фаз и структурных 
составляющих .............................................................................. 214 
4.7. Диаграмма равновесия с двойной перитектической 
реакцией ............................................................................................ 216 
4.7.1. Общая характеристика диаграммы ................................. 217 
4.7.2. Изотермические разрезы .................................................. 218 
4.7.3. Политермические разрезы ................................................ 221 
4.8. Диаграмма с ограниченной и неограниченной 
растворимостью в твердом состоянии и двойной 
эвтектической реакцией .................................................................. 222 
4.8.1 Общая характеристика диаграммы .................................. 222 
4.8.2. Изотермические разрезы .................................................. 225 
4.8.3. Политермические разрезы ................................................ 227 
4.9. Диаграмма с тройной эвтектической реакцией ..................... 227 
4.9.1. Общая характеристика диаграммы ................................. 228 
4.9.2. Определение количества фаз и структурных 
составляющих .............................................................................. 231 
4.9.3. Изотермические сечения .................................................. 234 
4.9.4. Политермические сечения ................................................ 237 
4.10. Диаграмма со стойким химическим соединением .............. 238 
4.10.1. Общая характеристика диаграммы ............................... 238 
4.10.2. Изотермические сечения ................................................ 241 
4.10.3. Политермический разрез и анализ превращений 
в сплавах сечения ......................................................................... 242 
4.11. Диаграмма с нестойким химическим соединением 
и тройной перитектической реакцией ............................................ 243 
4.11.1. Общая характеристика диаграммы ............................... 243 
4.11.2. Изотермический разрез ................................................... 248 
4.11.3. Политермический разрез ................................................ 249 
4.11.4. Фазовые и структурные превращения в некоторых 
сплавах системы ........................................................................... 250 
4.12. Диаграмма с тройной эвтектикой и ограниченной 
растворимостью в твердом состоянии ........................................... 252 
4.12.1. Общая характеристика диаграммы ............................... 252 

4.12.2. Фазовые и структурные превращения в некоторых 
сплавах системы ........................................................................... 255 
4.12.3. Изотермические разрезы ................................................ 256 
4.12.4. Политермические разрезы .............................................. 257 
4.13. Диаграмма с тройной эвтектикой и переменной 
растворимостью в бинарных системах ........................................... 259 
4.13.1. Общая характеристика диаграммы ................................ 259 
4.13.2. Изотермический разрез ................................................... 260 
4.13.3. Политермические разрезы .............................................. 261 
Библиографический список ............................................................ 264 
 

Предисловие 

Учебник Бориса Григорьевича Лившица «Металлография» впервые был выпущен в свет в 1963 г. и с тех пор переиздан дважды. Последнее, третье, переработанное и дополненное издание вышло в 
1990 г. В учебнике сосредоточен огромный педагогический опыт автора, с 1945 г. заведовавшего одноименной кафедрой Московского 
института стали и сплавов (теперь кафедра физического материаловедения). Настоящее издание учебника, подготовлено группой его 
учеников, в нем отражен основной педагогический принцип Б.Г. Лившица, афористично и кратко сформулированный им так: «Преподавание – это отбор». Любой учебник или учебную программу можно 
расширять, включая сведения о все новых классах материалов и технологий, о новых экспериментальных и теоретических методах. Любой абзац учебника можно углублять, дополняя важными деталями, 
соображениями и методами расчетов, поскольку часто за абзацем 
стоят несколько монографий и множество научных статей. Но учебник или учебная программа имеют конечный объем, они предназначены для овладения основами знаний в данной области и возможностью после их усвоения изучать и дополнять свои знания, используя 
специальную литературу. 
Название учебника («Металлография») теперь выглядит несколько устаревшим, но оно сохранено для исторической преемственности 
и дополнено подзаголовком, более точно отражающим рассматриваемые вопросы. Соответствующий учебный курс изучается в пятом 
семестре, после окончания общеинженерной подготовки, включающей курс физической химии и кристаллографии, и с него начинается 
изучение профессиональных учебных дисциплин. Некоторые разделы курса такие как дефекты кристаллической решетки, пластическая 
деформация или строение фаз, в дальнейшем развиваются в виде отдельных, более углубленных и расширенных учебных курсов. Но 
природа не делится на курсы, поэтому связь структурообразования и 
фазовых превращений с такими разделами необходимо проследить в 
их естественной совокупности, для чего, в частности, и предназначен 
настоящий учебник. Другие разделы, в первую очередь разделы по 
диаграммам фазового равновесия одно-, двух- и трехкомпонентных 
систем, в дальнейшем уже не изучаются и по окончании курса обучающийся должен свободно оперировать ими. 

В настоящем издании в целом сохранен отбор материала, сделанный Б.Г. Лившицем для первой части учебника «Металлография», но 
изложение переработано и дополнено с учетом новых научных данных, новых методов исследования структуры, появления компьютерного моделирования, однако без существенного увеличения объема 
учебника. 
В.Л. Столяровым написаны предисловие, введение, гл. 1 и 3; 
Е.С. Малютиной – гл. 4; В.Ю. Введенским – гл. 2. 

ВВЕДЕНИЕ 

Развитию человеческой технологической цивилизации сильно 
способствовал (или даже оказал решающее влияние) тот факт, что, 
во-первых, на земной поверхности много железа; во-вторых, железо 
легко восстанавливается углеродом из руд даже в примитивном горне и, в-третьих, что железо испытывает аллотропическое превращение, управляя которым можно получать высокую прочность и твердость изделия при малой его хрупкости. Способы получения и даже 
простейшей термической обработки стальных изделий были эмпирически найдены около 3000 лет назад и к началу первой научнотехнической революции XVIII–XIX вв., после ряда так же эмпирических улучшений, в целом обеспечивали потребности того времени. 
Уже в древние времена было замечено, что нагретое железо пластично, легко проковывается, принимая нужную форму, и сваривается 
под молотом. После охлаждения железо становится прочным и твердым, но при этом не раскалывается под нагрузкой, как керамика или 
стекло. А если его выдержать в раскаленных углях, превратив в 
сталь, то после закалки оно становится достаточно твердым, чтобы 
легко резать любую древесину или другие металлы. Таким образом, 
только железо и сталь позволили изготавливать такие простейшие, 
но совершенно необходимые инструменты, как нож, пила, напильник, топор и, конечно, плуг. Ни камень, ни золото, ни даже бронза не 
способны полноценно заменить в этих инструментах сталь. Без железа и стали человечество не смогло бы превзойти цивилизационный 
уровень ацтеков, майя или племен тихоокеанских островов, не знавших ни металлических инструментов, ни металлического оружия. 
Научный этап развития материаловедения полноценно начался в 
XIX в. Юный Майкл Фарадей начал в 1819 г. свою научную деятельность с неудачной попытки улучшить свойства железа, сплавляя его 
с серебром1 и другими благородными металлами. В 1831 г. на заводе 
в Златоусте инженер П.А. Аносов применил микроскоп для изучения 
структуры стали. В 1864 г. Генри Сорби (Британия) провел первые систематические исследования микроструктуры железа и стали, используя 
___________ 
1 Железо и серебро практически нерастворимы друг в друге ни в жидком, ни в 
твердом состоянии, что в то время не было известно. Если бы Фарадей попытался 
легировать железо никелем, марганцем или хромом, то открытие и использование 
легированных сталей произошло бы на несколько десятилетий раньше. 

разработанные им методы приготовления шлифов и микрофотографию. 
С этого времени появилось понятие микроструктуры, и начали формулироваться представления о том, что свойства материалов зависят не 
только от химического состава, но и от микроструктуры. 
В России Д.К. Чернов в 1868 г., исследуя и выбирая режимы термообработки артиллерийских стволов, обнаружил критические точки 
(критические температуры) стали, и построил график, являющийся, 
как выяснилось через 30 лет, важнейшим фрагментом диаграммы 
фазового равновесия Fe–C. 
Теоретический прорыв совершил в 1876–1978 гг. Джозайя Уиллард 
Гиббс (США), опубликовавший серию статей, объединенных позднее в 
монографию «О равновесии гетерогенных систем», в которой при минимуме допущений и математически строго, на основе построенной им 
термодинамики, выводились основы взаимодействия фаз – аппарат, необходимый и поныне каждому материаловеду. С этих работ Гиббса 
начался новый, современный этап развития физики, химии, физической 
химии, материаловедения. Однако Гиббс публиковал свои работы в малоизвестном журнале, и они были изложены малопонятным математическим языком, так что в Европе они стали известны не сразу. Через 
10 лет Ван Рейн и Ван Алькемаде (Нидерланды) показали, что из термодинамики Гиббса, из представлений о стремлении систем к минимуму термодинамического потенциала можно вывести все типовые диаграммы фазового равновесия, не прибегая ни к каким дополнительным 
допущениям – начался новый этап развития материаловедения. 
К 1900 г. У. Робертс-Аустен (Британия) и Г.В. Розебом построили 
диаграмму фазового равновесия Fe–C. Немного позднее Н.С. Курнаков начал блестящую серию работ по разработке и применению физико-химического анализа, позволяющего изучать фазовое равновесие путем измерения зависимости физических свойств от состава 
сплавов. Им же было открыто упорядочение твердых растворов. 
Густав Тамман (Германия) и его ученики изучали диаграммы фазового равновесия, процесс кристаллизации; Г. Мазинг из школы 
Таммана к 1933 г. разработал методы анализа тройных и многокомпонентных диаграмм фазового равновесия, ставшие классическими. 
Но продолжался (и продолжается до настоящего времени) эмпирический поиск, и в 1906 г. А. Вильм (Германия) предложил сплав 
алюминия с 4 % меди и термообработку для него, заключающуюся в 
закалке и последующей выдержке («старении») сплава в течение нескольких дней, в результате чего его механические свойства резко 

возрастали. Так появились сплавы типа дуралюмин, ставшие первыми промышленными легкими сплавами1 и основным материалом 
авиастроения. Однако могущество научного знания по сравнению с 
эмпирикой проявилось в том, что в течение полутора десятилетий до 
появления основополагающих работ, выполненных П. Мерика 
(США) с сотрудниками (Вальтенберг и Скотт, 1920), не было найдено ни одного нового сплава с аналогичным эффектом, но уже в 20-е 
годы были предложены десятки различных сплавов. В работах 
П. Мерика было предложено объяснение найденного явления (дисперсионное твердение) и сформулированы условия его проявления: 
сильное повышение при нагревании растворимости легирующего 
элемента в твердом растворе; фиксация путем закалки пересыщенного твердого раствора и затем контролируемый распад для получения 
оптимальной дисперсности частиц выделяющейся фазы, т.е. оптимальной структуры. Дисперсионное твердение в той или иной форме 
применяется во многих классах материалов: в жаропрочных сплавах, 
сталях, магнитных материалах и т.д. 
Я.И. Френкель (1926) и В. Шоттки (Германия, 1935) обосновали 
существование вакансий кристаллической решетки, что позволило 
объяснить множество явлений и в первую очередь – диффузию в 
кристаллах. Носители пластической деформации – дислокации в современном виде были предложены в 1935 г. (Э. Орован, М. Поляни, 
и одновременно Д. Тейлор) для объяснения пластичности металлов, 
придав физический смысл объекту, который изучал математик 
В. Вольтерра (Италия, 1905), один из основателей тензорного анализа. Теория дислокаций стала важнейшей и неотъемлемой частью физического материаловедения; с ее появлением возникло понятие о 
тонкой структуре кристаллов – наноструктуре. 
Развитие экспериментальных методов связано с появлением рентгеноструктурного анализа (Макс фон Лауэ, Германия, 1912 – Нобелевская премия 1914 г.); просвечивающей (трансмиссионной) электронной микроскопии (Э. Руска, Германия, 1933 – Нобелевская премия 1986 г.), применение которой разработано П. Хиршем и др. 
(США, 1956); растровой (сканирующей) электронной микроскопии. 
Рентгеноструктурный анализ и его аналоги – электронография и 
нейтронография – позволили устанавливать типы кристаллических 

___________ 
1 «Легкие сплавы» – термин, обозначающий конструкционные материалы с достаточно высокими механическими свойствами, но с плотностью, значительно 
меньшей, чем у стали. 

решеток, проводить фазовый анализ, анализировать упорядочение, в 
том числе и магнитное. Электронная микроскопия, позволяющая 
различать объекты размером до 1 нм, дала возможность обнаруживать скопления атомов, которые уже трудно называть фазами, 
настолько мало число атомов в них и стала основным методом изучения дислокационной структуры. Растровая электронная микроскопия позволила проводить локальный химический анализ в областях 
размером до 300 нм. 
Применение рентгеноструктурного анализа и изучение кинетики 
превращений позволило к 1930 г. Г. Заксу (Германия), Г.В. Курдюмову и Э. Бейну с сотрудниками (США) понять превращения, происходящие при закалке стали, что дало возможность получения новых 
структур и свойств. 
В работах Г. Таммана, И. Странского (Болгария), математика 
А.Н. Колмогорова, А.А. Бочвара, выполненных в 20–30-е годы, дана 
количественная теория кристаллизации, включая гетерогенную и эвтектическую. Накопленный опыт металлофизических и металловедческих исследований позволил всего за полгода создать технологию 
получения изделий из чрезвычайно технологически трудного плутония независимо друг от друга в США (Э. Хаммел, 1945) и СССР 
(А.А. Бочвар, 1947–1949). 
В 1946 г. началось применение методов компьютерного моделирования (Н. Винер и Н. Метрополис, США) в физике, причем их пионерская работа по использованию быстро ставшего классическим 
метода Монте-Карло была выполнена на примере моделирования 
атомной структуры жидкости и ее кристаллизации на суперкомпьютерах той эпохи. Методы Монте-Карло и молекулярной динамики 
стали в настоящее время стали основными теоретическими методами 
нанотехнологии. 
Размах исследований и накопленные научные знания позволяют 
создавать жаропрочные материалы, обеспечивающие функциональность реактивных и ракетных двигателей; композитные материалы; 
целую гамму реакторных материалов для работы в условиях мощного радиационного воздействия. Созданы и широко используются титановые сплавы; сверхмощные магнитные материалы, содержащие 
редкоземельные металлы; сверхпроводящие материалы и многие 
другие. Предсказаны, обнаружены и использованы такие эффекты, 
как сверхпластичность, сверхупругость и память формы. 

1. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 
ИХ СТРУКТУРА 

С утилитарной, «потребительской» точки зрения от материала 
требуется не его химический состав или структура, а некий набор 
плохо сформулированных свойств, обеспечивающих работоспособность изделия. С точки зрения инженера-конструктора изделия (или 
его отдельной детали) набор таких свойств сформулирован уже достаточно четко и может насчитывать десятки и сотни параметров типа «не более», «не менее» или «в интервале». В некоторых случаях 
это достаточно очевидный набор, например, столешница должна 
быть не только прочной, но и жесткой, поэтому ее нельзя делать из 
тонкой высокопрочной стали. Резьба болта не должна сминаться при 
затягивании (не должна пластически деформироваться), но и не 
должна обламываться (не быть хрупкой), зато нарезать резьбу должно быть легко. Как видно уже из этого простейшего примера, целый 
ряд свойств противоречат друг другу, и это типичная ситуация в материаловедении. Стоимость изделия также существенная характеристика, причем в эту стоимость всегда включается не только (и часто 
не столько) цена получения использованных химических элементов, но 
и стоимость переработки материала в изделие: всегда желательно, чтобы материалы были «технологичными», дешевыми в производстве. 
Металлические материалы в целом обладают рядом существенных недостатков по сравнению с материалами других классов: высокая плотность, высокая химическая активность, высокая стоимость1 
и т.д. Есть материалы много прочнее металлических, есть материалы 
много менее хрупкие, есть намного более твердые, есть более дешевые и технологичные, есть более легкие и коррозионностойкие. 
Но у металлических материалов есть уникальное сочетание высокой прочности и высокой пластичности, обеспеченные особенностями металлической связи и структуры. К этому необходимо добавить, 
что свойства одного металлического материала можно изменять в 
широких пределах нужной термической обработкой, делая его то 
мягким, когда нужно придать требуемую форму, то твердым и прочным, если это требуется при эксплуатации. 

___________ 
1 Достаточно сравнить стоимость самого дешевого металлического материала – 
рядовой стали, со стоимостью бетона, простой керамики или дерева. 

В целом свойства конкретного металлического материала определяются двумя факторами: химическим составом и структурой. Как 
ни важен состав сплава, но изменения структуры способны изменить 
некоторые свойства сплава в десятки и даже иногда в тысячи раз. 
Структуру, определяющую свойства материалов, можно разделить на четыре уровня в зависимости от размеров ее элементов и характера взаимодействия между ними: атомная (и электронная) 
структура, наноструктура (тонкая структура кристаллов), микроструктура и макроструктура. 
Атомная структура описывает тип и взаимное расположение атомов химических элементов, в том числе элементы симметрии кристаллической решетки и межатомные расстояния. Поскольку межатомные 
связи обусловлены электронными оболочками, то часто в понятие 
атомной структуры включают и распределение плотности электронов в 
пространстве – электронную структуру. Характерный размер атомной 
структуры – кратчайшее межатомное расстояние, которое принимают за 
эффективный диаметр атома. Например, межатомное расстояние железа 
при комнатной температуре составляет около 0,25 нм. Основные методы исследования атомной структуры – дифракционные, с использованием рентгеновского, нейтронного и электронного излучения. 
Наноструктура описывает нарушения порядка расположения 
атомов кристаллической решетки в масштабах до 100 или 1000 межатомных расстояний (десятки нанометров), имеющие характер самоорганизации. Типичным объектом изучения являются дислокации – 
области незавершенного сдвига кристаллической решетки, дисклинации – области незавершенного поворота участка кристаллической 
решетки и границы между кристаллами одной и разных фаз. К наноструктуре относятся также кластеры – скопления атомов или вакансий. Основной метод изучения – просвечивающая электронная микроскопия. Важнейшую составную часть наноструктуры – дислокационную структуру – часто выделяют отдельно, так как она определяет процессы фазовых превращений и уровень механических и многих физических свойств. 
Основной метод исследования наноструктуры – просвечивающая 
электронная микроскопия. 
Микроструктура характеризует химический состав, форму, размер, взаимное расположение и ориентировку кристаллов, составляющих материал. 

Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину