Физическое материаловедение. Часть 2

 УДК [669.017 + 669.04/.05](075.8)
ББК 34.2я73
 
Ф33

Р е ц е н з е н т ы: кафедра химии Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники (заведующий кафедрой доктор химических наук, профессор И.В. Боднарь); заведующий отделом криогенных 
исследований Государственного научно-производственного объединения 
«Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси 
по материаловедению» доктор физико-математических наук С.Е. Демьянов

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или 
любой ее части не может быть осуществлено без разрешения издательства

ISBN 978-985-06-2063-7(Ч.2) 
© Федотов А.К., 2012
ISBN 978-985-06-1924-2 
© Оформление УП «Издательство
 
“Вышэйшая школа”», 2012

ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ 

Все материалы, обеспечивающие создание и эффективную 
работу энергетических установок (включая ядерно-энергетические), подвергаются разного рода внешним воздействиям. 
Эти воздействия возникают уже на первичной стадии формирования материала – в процессе его получения (синтеза) и при 
последующей обработке с целью придания структуры и 
свойств, необходимых для превращения материала в готовое 
изделие. Поэтому подготовка физиков и инженеров-технологов, 
специализирующихся в области энергоматериаловедения по 
направлению «ядерные энергетические установки», приводит 
к необходимости среди других разделов современной науки и 
инженерии давать студентам глубокие знания в области технологии получения, функционирования и диагностики материалов со специальными теплофизическими и иными свойствами. 
Например, без таких знаний невозможно проектировать, создавать и обеспечивать эффективную эксплуатацию ядерных 
энергетических установок (ЯЭУ), а также котлов, паропроводов, парагенераторов и многих других узлов и систем современных АЭС (в их тепловых и электрических контурах, системах передачи тепловой и электрической энергии, системах 
хранения ядерных отходов и др.). 
Значительная часть узлов в ЯЭУ и в тепловом контуре АЭС 
функционирует в условиях интенсивных термических воздействий. Под термическими воздействиями понимают любые изменения температуры в виде нагрева или охлаждения, возникающие при отводе от системы (среды, материала, изделия) или 
при подводе к ней тепловой энергии в течение определенного 
времени и по определенному закону (например, с определенными скоростями). Более того, в ряде случаев материалы, из которых изготовлены те или иные узлы ЯЭУ и теплового контура 
АЭС, подвергаются не только термическим, но одновременно и 
радиационным воздействиям. Все это может приводить к существенному изменению структуры, фазового состава и многих 
физических свойств материалов, в том числе вследствие интенсификации в них процессов тепло- и массопереноса. 
Применительно к твердым кристаллическим средам, при 
изучении многих явлений и процессов переноса под влиянием 
термических и иных воздействий в стандартных учебниках по 

теплофизике, как правило, абстрагируются от атомно-кристаллической структуры объектов исследования, рассматривая 
твердое тело как сплошную среду. Однако при изучении влияния термических воздействий (в том числе совместно с радиационными) на процессы тепло- и массопереноса в кристаллических материалах и изменения их микроструктуры и свойств 
нельзя не учитывать их атомно-кристаллическое и электронное строение. Это обусловлено тем, что термические воздействия могут приводить, например, к интенсивному образованию дефектов кристаллической решетки и изменению агрегатного либо фазового состояния материала (превращение кристалла в расплав или пар, кристаллизация, рекристаллизация 
и др.). Кинетику данных процессов, в том числе определяющих изменение свойств и фазовые превращения в материалах 
и изделиях, невозможно описать без учета такой главной особенности кристаллического материала как его кристаллическая решетка и наличие в ней дефектов (искажений).
Кроме того, поскольку существует глубокая взаимосвязь 
между изменением состояния кристаллического материала в 
результате того или иного внешнего воздействия (термического, механического, радиационного, их комбинаций) и изменением его свойств, для изучения влияния этих воздействий на 
фазовое состояние, тепловые и другие функциональные свойства кристаллических материалов необходимо иметь полное 
представление об их атомной и электронной структуре. 
Вышеизложенное означает, что необходимость изучения 
вопросов тепло- и массообмена в ядерно-энергетических системах требует разработки специального учебного пособия по 
основам материаловедения для студентов, обучающихся по 
данному направлению. 

Ïðèíöèïû ïîñòðîåíèÿ ó÷åáíîãî ïîñîáèÿ

Структурная схема учебного пособия вытекает из представленной на рис. 1П взаимосвязи между процессом «конструирования» (получения, выращивания, синтеза) материала, его 
последующих обработок разными методами (термическим, 
механическим, термохимическим, химико-термическим и др.) 
с целью придания последнему нужной структуры и свойств, 
что превращает материал в готовое изделие с определенными 
рабочими параметрами, необходимыми для конкретных практических применений.

Согласно схеме, для того, чтобы создать («сконструировать») материал с заданными свойствами, обеспечивающими 
оптимальные рабочие параметры будущего изделия, надо 
знать, каким образом структура и свойства материала откликаются на внешние воздействия, при которых ему придется работать. Этот отклик на внешние воздействия будет определять 
как технологию синтеза (изготовления) материала, так и методы его последующей обработки для получения изделия с нужными рабочими параметрами в процессе его работы в том или 
ином устройстве.
В соответствии со схемой изложения учебного материала в 
ч. 1 пособия, ч. 2 посвящена изучению отклика кристаллического материала как термодинамической системы на термические, механические, термомеханические, химико-термические 
и другие воздействия. В этой части изучаются разные виды 
технологий получения (синтеза) конструкционных и функциональных материалов, а также влияние вышеупомянутых (в том 
числе совместных) воздействий на фазовое (в том числе, агрегатное) состояние кристаллических материалов, их структуру 
и свойства. На основе данных представлений рассматривается 
влияние дальнего и ближнего порядка на процессы фазовых 
превращений в конденсированных веществах, а также на свойства кристаллических твердых тел. В этой части раскрываются 
основные связи между фазовым состоянием, структурой, свойствами материалов и теми физическими процессами, которые 
могут протекать в них при внешних воздействиях как на ста
Структура
и свойства
Обработка

Синтез

Температура, механические напряжения,
электрические и магнитные поля,
химические реакции, градиенты концентрации,
межатомные силы и т.д.

Рабочие
параметры

Применение

С
и
нт
е
з

О
б
ра
б
о
т
ка

Рис. 1П

дии создания материалов, так и в процессе их эксплуатации в 
системах с большим тепловыделением (АЭС, ТЭС, энергетических агрегатах и др.).
Такая структура пособия обусловлена следующими соображениями. 
Автор убежден, что современный специалист в области материаловедения (в области материалов для энергетики вообще 
и ядерной энергетики, в частности) не должен ограничиваться 
лишь знаниями, касающимися характеристик и номенклатуры 
тех материалов, которые используются в конкретных (достаточно узких) практических применениях. Выпускник современного вуза (технического либо классического университета), независимо от того, является ли он технологом или исследователем, опираясь на глубокие знания в области физики 
твердых тел (ее основы изложены в ч. 1) должен освоить базовые принципы «конструирования» материалов, которые формируют ту или иную структуру (на ее атомном, нано-, микро- 
и макроуровнях) и придают те или иные функциональные 
свойства материалам, будь то механическая прочность, электропроводность или магнитные свойства. 
Таким образом, основной целью учебного пособия в целом 
является подготовка студентов к осознанному пониманию тех 
структурно-фазовых превращений и изменений свойств твердых кристаллических материалов, которые происходят при 
различных внешних воздействиях (температура, давление, радиация и др.). 
Отметим, что при изложении материала во 2-й ч. пособия 
большое внимание будет уделено физике процессов, определяющих формирование структуры кристаллических материалов в результате термических и механических воздействий; 
установлению взаимосвязи свойств материалов не только с 
их атомным строением, но также и с их нано-, микро- и макроструктурой. Существенное внимание будет уделено изложению особенностей основных видов диаграмм состояния сплавов и, в этой связи, базовых физико-технологических 
принципов «конструирования» (синтеза, выращивания, 
формирования) кристаллических материалов с нужными 
функцио нальными свойствами. Кроме того, в пособии будет 
дано описание свойств ряда технически важных видов сплавов (например, сталей, чугунов, латуней, бронз и других базовых конструкционных материалов), используемых в об

щем и энергетическом машиностроении, при создании ТЭС 
и АЭС станций, а также приборов и устройств, обеспечивающих их безопасное и рациональное функционирование.
Для обеспечения повышения энергоэффективности в энергетическом машиностроении, разработки новых энергосберегающих технологий, а также при реализации ядерно-энергетических технологий широко применяются сложные материалы разных типов, которые должны обладать набором особых функциональных свойств. Значительная часть материалов 
такого рода формируется не только на основе чистых металлов 
и упомянутых выше базовых металлических сплавов или их 
композиций. Изложение способов получения, структуры и 
основных свойства некоторых специальных материалов – специальных сплавов, композиционных материалов типа металл – 
диэлектрик, металл – полимер и других, а также материалов, 
получаемых в виде керамик, из разного рода порошковых композиций, будут включены в ч. 3 пособия.
Для использования таких материалов необходимо глубокое 
понимание взаимосвязи между методами и способами их формирования, составом, фазовой структурой и физико-химическими свойствами, что будет обеспечено учебным материалом, изложенным в двух первых частях данного пособия. 
Предлагаемое учебное пособие создано на базе системы 
специальных лекционных курсов «Введение в физику твердого 
тела», «Основы материаловедения», «Энергоматериаловедение», «Специальные материалы для энергетики и энергосбережения», «Материалы со специальными теплофизическими 
свойствами» и «Диффузия в конденсированных средах», читавшихся заведующим кафедрой энергофизики Белорусского государственного университета, профессором А.К. Федотовым 
для студентов специализаций «Энергофизика», «Теплофизика», «Физика полупроводников», «Новые материалы» и др.
Конечно, создать достаточно краткое, но отвечающее всем 
сформулированным выше требованиям, учебное пособие – задача весьма трудная и отчасти неблагодарная, поскольку часто 
требует совмещать трудносовместимые вещи. С одной стороны, 
необходимо дать достаточно подробное изложение материала, 
которое было бы хорошо иллюстрировано и понимаемо студентами с разным уровнем исходной подготовки в области физики 
(а она весьма существенно различается в классических и технических университетах). С другой стороны, изложение мате риала 

не должно быть слишком длинным, так как по многим вопросам, излагаемым в данном учебном пособии, есть учебники и 
учебные пособия, в том числе доступные в интернете.
Пособие также содержит проверочные тесты и задачи, выполнение которых позволит студенту вести самоконтроль изучаемого материала. 
При подготовке данной книги автор руководствовался длительным (более чем 25-летним) опытом в чтении курсов по 
физике твердого тела, физическому материаловедению и ряду 
смежных вопросов, а также почти полувековой работой в области физического материаловедения в Институте физики 
твердого тела НАНБ, в Белорусском государственном университете, в Венском техническом университете (Австрия), в Университете Ланчжоу (КНР) и других организациях. 
В создание читаемых курсов и, как следствие, данного пособия внесло вклад систематическое обсуждение многих вопросов материаловедения с моими учителями – академиком 
Н.Н. Сиротой и профессором Н.Ф. Куниным, а также со многими коллегами по работе – В.М. Анищиком, А.В. Мазаником, 
В.Г. Шепелевичем, С.Е. Демьяновым, В.В. Угловым и многими 
другими, за что автор им очень благодарен. Особую признательность хотел бы выразить рецензентам данного пособия – 
доктору физико-математических наук С.Е. Демьянову и доктору химических наук И.В. Боднарю – за их полезные замечания и предложения, которые существенно улучшили пособие. 

Автор

ÂÂÅÄÅÍÈÅ

Ðîëü ìàòåðèàëîâ â ñîâðåìåííîé ýíåðãåòèêå 

Как отмечалось в ч. 1 «Физика твердого тела» данного 
учебного пособия, для обеспечения экономического благосостояния любого современного общества необходимо получать 
энергию, преобразовывать ее из одних форм в другие, передавать на расстояние и потреблять множеством способов. Для 
осуществления каждой из вышеупомянутых стадий необходимы материалы, обладающие соответствующими функциональными характеристиками (свойствами). Именно поэтому жизнь 
современного индустриального общества постоянно сопровождается непрерывным развитием науки о материалах – материаловедения – и зависит от нее. 
Материал – вещественный объект с заданным функциональным назначением. Поэтому для выполнения своих функций он должен обладать определенным составом, атомной 
структурой, микроструктурой и свойствами. Материалы могут 
иметь различное агрегатное состояние: твердое, жидкое, газообразное. Функции, которые выполняют материалы, разнообразны: это и обеспечение оптимального протекания электрического тока (например, в проводниковых и полупроводниковых материалах), и сохранение определенной формы при механических нагрузках (в конструкционных материалах), и 
обеспечение непротекания электрического тока (в диэлектрических электроизолирующих материалах), и превращение электрической энергии в тепловую (в материалах с высоким электросопротивлением) и др. 
Обычно материал выполняет несколько функций, например диэлектрик или алюминиевая жила в электрическом кабеле обязательно испытывают какие-то механические нагрузки, 
а значит, они одновременно являются конструкционными материалами. 
Физическое материаловедение – наука, занимающаяся изучением взаимосвязи между составом, атомной и микроструктурой, физико-химическими свойствами материалов и их поведением при различных внешних воздействиях – тепловых, 
электрических, магнитных, химических и других, а также при 
сочетании этих воздействий. Стихийными материаловедами 
были еще древние люди, научившиеся делать каменные наконечники или топоры из определенных камней со слоистой 

структурой, а затем медные и железные орудия труда. Технический прогресс во многом основан на материаловедении. 
В  свою очередь, он дает новые возможности, методы, приборы для развития материаловедения, что позволяет создавать 
новые материалы. 
Рассмотрим пример с вычислительной техникой. Первые 
вычислительные устройства (например, счеты) делались из 
дерева, камня или металла. Первые компьютеры были на вакуумных электронных лампах и имели сравнительно скромные 
возможности. Размер их был примерно со спортивный зал, 
размер единичного элемента для хранения и обработки информации составлял несколько сантиметров. После открытия полупроводников размеры элементов памяти и самого компьютера уменьшились примерно в 10 раз. По мере исследования 
полупроводников их размер уменьшался, пока не произошел 
качественный скачок после открытия интегральных схем, когда размер элементов достиг сначала нескольких микрометров, 
а сейчас уже нескольких десятков нанометров.
Человечество научилось использовать множество природных материалов для своих нужд, в том числе энергетических. 
Однако еще больше материалов получают искусственными 
способами, что ведет к непрерывному созданию и усовершенствованию различных способов получения материалов, которые объединены общим названием – технология материалов. 
В данном учебном пособии рассматриваются в основном 
материалы, связанные с энергетикой и энергосбережением. 
Однако значительная их часть может быть использована и в 
других областях современной техники и технологии материалов. В общем случае классификация материалов включает в 
себя три основные разновидности материалов – металлические, неметаллические (неорганические и органические), композиционные.
Основные материалы, которые используются в энергетике 
(в том числе, ядерной), можно разделить на несколько классов, 
например по их функциональному назначению.
1. Материалы, обеспечивающие жест кость, статическую и 
циклическую про чность энергетических устройств – двигателей, машин, механизмов, турбин, котлов и др.
2. Износостойкие материалы (стойкость к истиранию).
3. Материалы с высокими упругими свойствами (пружины, 
демпферы и т.д.).