Фазовые превращения и структурообразование

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.