Книги сотрудников факультета (2009)

Г.Готтштайн
Физико-химические основы материаловедения

Перевод с английского
К.Н.Золотовой и канд. хим. наук Д.О.Маркина
под редакцией
профессора, доктора хим. наук В. П.Зломанова
Москва
БИНОМ. Лаборатория знаний 2009
(Лучший зарубежный учебник)

ISBN 978-5-94774-769-0 (БИНОМ. ЛЗ)
ISBN 3-540-40139-3 (англ.)

В учебном пособии, написанном известным специалистом из Германии, имеющим многолетнюю преподавательскую практику, изложены основы современного материаловедения. При этом в полной мере использованы фундаментальные понятия, представления и закономерности из других областей знаний физики, химии, математики, а также кристаллографии и металлургии. Рассмотрены различные модели, в том числе на основе фазовых диаграмм и теории химической связи. Большое внимание уделено применению термодинамических подходов при изучении материалов. Подробно обсуждаются теория дефектов в кристаллических твердых телах, процессы кристаллизации и рекристаллизации, способы управления составом композиционных материалов, структурная организация в стеклах и полимерах. Книга очень хорошо иллюстрирована.
Для студентов и аспирантов университетов, а также других вузов, готовящих специалистов в области наук о материалах.

Оглавление

Предисловие редактора русского издания	8
Предисловие автора к русскому изданию	10
Предисловие к английскому изданию	11
Введение	12
Глава 1. Микроструктура	15
Глава 2. Атомная структура твердых тел	22
2.1. Межатомное взаимодействие	22
2.2. Кристаллическая структура	28
2.2.1. Кристаллические системы и пространственные решетки	28
2.2.2. Кристаллические структуры металлов	30
2.2.3. Кристаллические структуры керамических материалов	35
2.2.4. Кристаллические структуры полимеров	37
2.3. Индексы кристаллографических плоскостей и направлений	37
2.4. Представление ориентации: стереографическая проекция	41
2.5. Экспериментальные кристаллографические методы	45
2.5.1. Закон Брэггов Вульфа	45
2.5.2. Рентгеновские методы	47
2.5.3. Электронная микроскопия	52
2.5.4. Кристаллографические текстуры	54
Глава 3. Дефекты в кристаллах	61
3.1. Общие замечания	61
3.2. Точечные дефекты	61
3.2.1. Типы точечных дефектов	61
3.2.2. Термодинамика точечных дефектов	62
3.2.3. Экспериментальное доказательство существования точечных дефектов	65
3.3. Дислокации	67
3.3.1. Геометрия дислокаций	67
3.3.2. Методы обнаружения дислокаций	72
3 4 Межзеренные границы	74
3.4.1. Терминология и определения	74
3.4.2. Атомная структура межзеренных границ	77
3.4.2.1. Малоугловые границы	77
3.4.2.2. Высокоугловые границы	80
3.5. Фазовые границы	88
3.5.1. Классификация фазовых границ	88
3.5.2. Феноменологическое описание межфазных границ	90
Глава 4. Сплавы	94
4.1. Строение сплавов	94
4.2. Термодинамика сплавов	105
4.3. Твердые растворы	110
4.4. Интерметаллические соединения	116
4.4.1. Общие положения	116
4.4.2. Упорядоченные твердые растворы	117
4.4.3. Фазы химических соединений	123
4.4.4. Фазы с высокой плотностью упаковки	127
4.4.5. Электронные фазы (фазы Юм-Розери)	130
4.5. Многокомпонентные системы	132
Глава 5. Диффузия	134
5.1. Основные законы диффузии	134
5.2. Коэффициент диффузии	139
5.3. Атомистический механизм диффузии в твердом теле	144
5.4. Корреляционные эффекты	150
5.5. Химическая диффузия	152
5.6. Термодинамический фактор	155
5.7. Диффузия по межзеренным границам.	158
5.8. Диффузия в неметаллах: ионные проводники	162
Глава 6. Механические свойства	166
6.1. Основы теории упругости	166
6.2. Кривая течения	170
6.3. Механизмы пластической деформации	175
6.3.1. Кристаллографическое смещение при движении дислокации	175
6.3.2. Механическое двойникование .	183
6.4. Критическое разрешенное напряжение сдвига	188
6.4.1. Закон Шмидта .	188
6.4.2. Дислокационная модель критического разрешенного напряжения сдвига	191
6.4.2.1. Упругие свойства дислокаций	191
6.4.2.2. Взаимодействие дислокаций.	194
6.4.3. Термически активированное движение дислокаций	197
6.5. Упрочнение гранецентрированных монокристаллов под нагрузкой	200
6.5.1. Геометрия деформации.	200
6.5.2. Дислокационные модели упрочнения растяжением	203
6.5.3. Диссоциация дислокаций	209
6.6. Прочность и деформация поликристаллов	212
6.7. Механизмы упрочнения	218
6.7.1. Упрочнение твердых растворов.	218
6.7.2. Дисперсионное упрочнение	223
6.7.3. Упрочнение при выделении второй фазы	224
6.8. Временная зависимость деформации	227
6.8.1. Сверхпластичность: зависимость напряжения текучести от скорости деформации	227
6.8.2. Ползучесть	230
6.8.3. Неупругость и вязкостная упругость	234
Глава 7. Возврат, рекристаллизация, рост зерен	245
7.1. Процессы обработки металлов. Терминология	245
7.2. Энергетика рекристаллизации	250
7.3. Деформационная микроструктура	253
7.4. Возврат	256
7.5. Зародышеобразование	260
7.6. Миграция межзеренных границ	264
7.7. Кинетика первичной рекристаллизации	267
7. 8 Рекристаллизационная диаграмма	271
7. 9 Рекоисталлизация в гомогенных сплавах	272
7.10. Рекристаллизация в многофазных сплавах	274
7.11. Нормальный рост зерен	275
7.12. Дискретный рост зерен (вторичная рекристаллизация)	279
7.13. Динамическая рекристаллизация	280
7.14. Рекристаллизационные текстуры	284
7.15. Рекристаллизация в неметаллических материалах	285
Глава 8. Затвердевание	286
8.1. Жидкое состояние	286
8.2. Зародышеобразование в твердой фазе	288
8.3. Рост кристаллов	293
8.3.1. Форма кристалла	293
8.3.2. Атомный механизм роста кристаллов	294
8.3.3. Рост кристаллов в расплаве	295
8.3.3.1 Кристаллизация чистых металлов	295
8.3.3.2. Кристаллизация сплавов	298
8.3.3.3. Кристаллизация эвтектических сплавов	300
8.4. Микроструктура литых образцов	303
8.5. Дефекты, обусловленные кристаллизацией	303
8.6 Быстрая закалка металлов и сплавов	305
8.7. Затвердевание стекол и полимеров	307
8.7.1. Ионные кристаллы и стекла	307
8.7.2. Полимеры	308
Глава 9. Фазовые переходы в твердом теле	310
9.1. Чистые металлы	310
9.2. Сплавы	311
9.2.1 Диффузионный контроль фазовых переходов	311
9.2.1.1 Общая классификация	311
9.2.1.2. Термодинамика разложения	312
9.2.1.3. Зародышеобразование и спинодальный распад	316
9.2.1.4. Метастабильные фазы	319
9.2.1.5. Старение	321
9.2.1.6. Кинетика роста частиц выделяющейся фазы	324
9.2.1.7. Эвтектоидный распад и дискретные выделения	327
9.2.2. Мартенситные превращения	329
9.2.3. Практические применения	333
9.2.3.1. ВТП-диаграммы	333
9.2.3.2. Технологическая важность мартенситных превращений: примеры	335
Глава 10. Физические свойства	337
10.1. Основы теории электронного строения	337
10.2. Механические и тепловые свойства	342
10.3. Теплопроводность	347
10.4. Электрические свойства	349
10.4.1. Проводники, полупроводники и изоляторы	349
10.4.2. Проводимость металлов	352
10.4.3. Модели электропроводности	356
10.4.4. Сверхпроводимость	358
10.5. Магнитные свойства	362
10.5.1. Диа- и парамагнетизм	362
10.5.2. Ферромагнетизм	364
10 6Оптические свойства	369
10.6. 1 Свет	369
10.6.2. Отражение от металлических поверхностей	370
10.6.3. Изоляторы	371
10.6.3.1 Окпяокя	371
10.6.3.2. Поглощение	372
10.6.3.3 Фотопроводимость	372
10.6.3.4. Люминесценция	373
10.6.4. Применения	373
Список литературы	375
Предметный указатель	384

Предисловие редактора русского издания

      Предлагаемое фундаментальное учебное издание написано профессором Университета Аахена (Германия) доктором Гюнтером Готтштайном на основе методических разработок для студентов, специализирующихся в области наук о материалах. Особенность этого учебника — объяснение сложных явлений с помощью простых физических моделей, необходимых для понимания и прогнозирования свойств веществ.
     Вещество — это совокупность взаимодействующих частиц (атомов, молекул, ионов и т. д.), расположенных определенным образом в пространстве и связанных между собой некоторыми силами. Состав и форма частиц, их пространственное распределение, природа и особенности химической связи определяют все физические и химические свойства вещества. Термин «материал» обычно относят к способу и формам практического использования веществ. Иногда термины «вещество» и «материал» используются как синонимы. Основная задача материаловедения — получение веществ с заранее заданными свойствами, т. е. с заданными составом, структурой и типом химической связи.
     Цель настоящего учебника — познакомить читателя с методами решения этой задачи. Разумеется, книга не претендует на полное освещение проблем материаловедения, а отражает известный компромисс между ознакомительным и фундаментальным подходами. В учебнике рассматривается атомная структура твердых фаз, термодинамика и кинетика фазовых превращений, зависимость физических свойств от состава и структуры веществ. Стремление автора к подробному анализу проявилось в гл. 6 при описании природы механических свойств, их зависимости от условий синтеза, реальной структуры, возникающей при механической и термической обработке. Достаточно полно рассмотрены фазовые диаграммы и факторы, обусловливающие взаимную растворимость компонентов и особенности их структур. Несомненным преимуществом этого учебника перед другими подобными произведениями следует считать и то, что он написан одним автором, точка зрения которого в полной мере отражает методические достижения гёттингенской (Германия) школы физического материаловедения.
     При переводе нами были исправлены неизбежные неточности в терминологии, в частности определение фазы, модификации и аллотропных форм, классификации дефектов по геометрическому признаку. Устранены и некоторые повторы и шероховатости в изложении зонной теории твердых тел (гл. 10).
     Учебник рассчитан на студентов разного уровня знаний, от студентов-первокурсников, прослушавших вводный курс общей химии, до старшекурсников классических, технических и технологических университетов. Он может быть также полезным для аспирантов и научных сотрудников, интересующихся проблемами прогнозирования и создания новых функциональных материалов. Книга существенно дополняет и расширяет информацию, изложенную в известных отечественных учебниках и зарубежных учебных изданиях, переведенных на русский язык (М. Я. Горелик, М. Я. Дашевский. Материаловедение. М. : Металлургия, 1988; А. Вест. Химия твердого тела : т. 1 и 2. Пер. с англ. М. : Мир, 1988; Ю. Т. Чумаченко и Г. В. Чумаченко. Материаловедение : учебник. М. : Изд-во МГТУ им. Баумана, 2005; Б. Н. Арзамасов и др. Материаловедение. М. : Изд-во МГТУ им. Баумана, 2005).
     Перевод учебника осуществлен К. Н. Золотовой (гл. 4, 5, 7 и 8) и канд. хим. наук Д. О. Чаркиным (гл. 1—3, 6, 9 и 10). Коллектив переводчиков считает своим приятным долгом выразить благодарность студентам МГУ Ю. А. Гетьману и О. И. Соловьеву за техническую помощь при подготовке книги к переводу.
В. П. Зломанов

Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору

Г.Готтштайн Физико-химические основы материаловедения

Г.Готтштайн
Физико-химические основы материаловедения