Физико-химические основы материаловедения

Физико-химические основы материаловедения

Gunter Gottstein

ФИЗИКОХИМИЧЕСКИЕ 
ОСНОВЫ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
 

Москва
Лаборатория знаний
2021

Перевод с английского
К. Н. Золотовой
и канд. хим. наук  Д. О. Чаркина

под редакцией
профессора, доктора хим. наук
В. П. Зломанова

Г. ГОТТШТАЙН

ЛУЧШИЙ ЗАРУБЕЖНЫЙ УЧЕБНИК

4-e издание, электронное

УДК 620.22+669.017
ББК 34.2+30.36я73
Г73

С е р и я о с н о в а н а в 2006 г.
Готтштайн Г.
Г73
Физико-химические
основы
материаловедения
/
Г. Готт-
штайн ; пер. с англ. К. Н. Золотовой, Д. О. Чаркина ; под ред.
В.П.Зломанова. — 4-е изд., электрон. — М. : Лаборатория знаний,
2021. — 403 с. — (Лучший зарубежный учебник). — Систем. требования: 
Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул. экрана. —
Текст : электронный.
ISBN 978-5-93208-565-3
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.
Для студентов и аспирантов университетов, а также других вузов,
готовящих специалистов в области наук о материалах.
УДК 620.22+669.017
ББК 34.2+30.36я73

Деривативное издание на основе печатного аналога: Физико-химические
основы материаловедения / Г. Готтштайн ; пер. с англ. К. Н. Золотовой,
Д. О. Чаркина ; под ред. В. П. Зломанова. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 
2009. — 400 с. : ил. — (Лучший зарубежный учебник).
ISBN 978-5-94774-769-0.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных
техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать
от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации

ISBN 978-5-93208-565-3

Translation from the English edition:
Physical Foundations of Materials Science
by G¨unter Gottstein
Copyright © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2004
Springer is a part of Springer Science + Business Media
All Rights Reserved

© Перевод на русский язык, оформление.
Лаборатория знаний, 2015

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 ориентаций: 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

Оглавление

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.
Рекристаллизация 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

Оглавление
7

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

10.6. Оптические свойства .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
369

10.6.1. Свет
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
369

10.6.2. Отражение от металлических поверхностей
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
370

10.6.3. Изоляторы
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
371

10.6.3.1. Окраска
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
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 явле-
ний с помощью простых физических моделей, необходимых для понимания
и прогнозирования свойств веществ.
Вещество — это совокупность взаимодействующих частиц (атомов, моле-
кул, 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 «ма-
териал» обычно относят к способу и формам практического использования
веществ. Иногда термины «вещество» и «материал» используются как сино-
нимы. Основная задача материаловедения — получение веществ с заранее за-
данными свойствами, т. е. с заданными составом, структурой и типом хими-
ческой 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 ознакомитель-
ным и фундаментальным подходами. В учебнике рассматривается атомная
структура твердых фаз, термодинамика и кинетика фазовых превращений,
зависимость физических свойств от состава и структуры веществ. Стремле-
ние автора к подробному анализу проявилось в гл. 6 при описании природы
механических свойств, их зависимости от условий синтеза, реальной струк-
туры, возникающей при механической и термической обработке. Достаточно
полно рассмотрены фазовые диаграммы и факторы, обусловливающие взаим-
ную 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 терми-
нологии, в частности определение фазы, модификации и аллотропных форм,

Предисловие редактора русского издания
9

классификации дефектов по геометрическому признаку. Устранены и неко-
торые 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 старшекурс-
ников классических, технических и технологических университетов. Он может
быть также полезным для аспирантов и научных сотрудников, интересующих-
ся проблемами прогнозирования и создания новых функциональных матери-
алов. Книга существенно дополняет и расширяет информацию, изложенную
в известных отечественных учебниках и зарубежных учебных изданиях, пере-
веденных на русский язык (М. Я. Горелик, М. Я. Дашевский. Материалове-
дение. — 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. Материаловеде-
ние : 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. Геть-
ману и О. И. Соловьеву за техническую помощь при подготовке книги к
переводу.

В. П. Зломанов

Предисловие автора
к русскому изданию

Высокий уровень материаловедения и инженерных наук в России хорошо
известен, и я считаю издание русского перевода моего учебника за большую
честь и очень благодарен проф. В. П. Зломанову из Московского университета
за редактирование перевода.
Цель этой книги — рассмотреть основные физические свойства материалов
и явления, изучаемые в материаловедении, и описать их физические основы.
Будущее технического прогресса во многом определяется доступностью высо-
котехнологичных процессов, что в немалой степени зависит от обеспечения
их новыми материалами. Развитие материаловедения требует предварительно-
го моделирования свойств материалов. В свою очередь для успешного приме-
нения различных моделей необходимы фундаментальные знания физических
основ процессов и механизмов, определяющих микроструктуру, и свойства на
атомном уровне.
В этом учебнике различные области материаловедения поданы с пози-
ций эмпирической феноменологии в сопровождении точного математическо-
го описания. Я искренне надеюсь, что читатели русской версии моей книги
смогут почерпнуть из нее основы наиболее важных разделов материаловеде-
ния, и это поможет им лучше ориентироваться в захватывающем мире мате-
риалов.

Г. Готтштайн
Аахен, февраль 2007 г.

Предисловие
к английскому изданию

Эта книга — перевод немецкого учебника по материаловедению, который

Норме, Бьёрну, Яну и Дэвиду

был написан на основе серии методических разработок, изданных в универси-
тете Аахена для студентов, специализирующихся в области наук о материалах.
Первоначальный текст этих разработок по физическим основам металлургии
постепенно дополнялся многосторонним описанием других материалов в рам-
ках устоявшихся научных концепций.
Цель учебника — ознакомить читателей с физическими свойствами мате-
риалов и подготовить их к работе с более специализированной литературой.
Однако эта книга не следует традиционной, чисто феноменологической схе-
ме, принятой при описании материалов. Скорее здесь объединены многие
подходы — от понимания свойств на атомном уровне до создания материалов
с заданными свойствами; там, где необходимо, приведены математические
выкладки. Разумеется, этот учебник не претендует на полное освещение мате-
риаловедения как науки и представляет компромисс между ознакомительным
и детальным описанием. В известном смысле этот компромисс отражает мои
личные предпочтения. Это особенно ярко проявилось в гл. 6, посвященной
физическим свойствам и предназначенной в основном для студентов-инжене-
ров, которые хорошо знакомы с физическими основами твердого состояния.
Текст этого учебника основан на классическом труде Мазинга «Введе-
ние в физическую металлургию»*), отражающем подход гёттингенской шко-
лы физического металловедения в духе Мазинга, Хаасена, Таммана и Люкке.
Для этого подхода характерно углубленное изучение предмета и объяснение
сложных явлений с помощью простых физических механизмов, необходимых
для понимания и предсказания свойств материалов. Данный учебник содер-
жит большое количество рисунков и диаграмм, помогающих читателю разо-
браться в кажущемся неоднозначным, но в действительности исключительно
элегантном мире материалов.

*)
Masing G. Grundlagen der Metallkunde. Berlin : Springer-Verlag, 1955.

Введение

Одна из самых актуальных технологических проблем современного мате-
риаловедения состоит в создании новых материалов и их производство. При-
менение в технологиях многофункциональных материалов обусловливает по-
явление на мировом рынке новых, конкурентоспособных продуктов и новых
производственных процессов, что способствует решению ключевой проблемы
современного общества — рациональное использование природных ресурсов
и охрана окружающей среды.
Создание новых материалов требует глубоких знаний физико-химических
основ материаловедения как инструмента для тонкой «настройки» свойств ма-
териалов. Физико-химические законы положены в основу материаловедения
как науки, что подробно показано в этой книге. Термин «материаловедение»
возник относительно недавно и еще не имеет совершенно четкого опреде-
ления. Нередко его понимают как распространение физической металлургии
на неметаллические материалы. Специалисты в области естественных наук
связывают материаловедение только с новыми и даже экзотическими функ-
циональными материалами.
В данной книге мы будем придерживаться следующего определения:

Материаловедение — это совокупность знаний о взаимосвязях между микро-
скопической структурой и макроскопическими свойствами конструкционных
материалов.

Это определение можно отнести к широкому спектру твердых веществ,
производимых и используемых в промышленных масштабах, — от металлов
и керамик, стекол и пластмасс до композитов и материалов для элек-
троники.
Наиболее важная группа конструкционных материалов, как по масшта-
бам производства, так и по количеству приложений, — это металлы. С одной
стороны, исключительно выгодное сочетание формуемости и прочности поз-
воляет использовать их в качестве основы несущих и опорных конструкций.
С другой стороны, высокая тепло- и электропроводность делает их незаме-
нимыми материалами для электроники. Использование металлов определило
исторические эпохи, с которыми связаны их наименования, например брон-
зовый век (датируемый 3000 г. до н. э.). В настоящее время необходимость в

Введение
13

разработке дешевых материалов, а также материалов, работающих в экстре-
мальных условиях, привела к созданию многофункциональных керамических,
пластических и композиционных материалов.
Наука о материалах значительно моложе металлургии. Физические осно-
вы и теоретические модели металлов, керамик, полупроводников и пластмасс
имеют немало общих черт, связанных с физическими основами металлургии.
В этом отношении металлургию можно считать праматерью металловедения,
что видно хотя бы из широкомасштабных исследований этого класса матери-
алов, проводившихся в течение многих веков. Несмотря на давние традиции,
металлургия не классическая научная дисциплина. Вплоть до средних веков
сведения о выделении и производстве металлов считались национальным се-
кретом и передавались в устной форме от поколения к поколению. Только
в более поздние времена немецкий металлург Бауэр (известный под именем
Агриколы) описал производство металлов в своем сочинении «De re metallica»
[0.1]. Книга Агриколы содержит мистические рецепты с упоминанием бы-
чьей крови, ясных ночей в полнолуние, злых духов — кобольдов и никелей,
от которых произошли названия металлов кобальта и никеля. Все они имеют
практическое значение, например способы упрочнения стали, и в настоящее
время могут быть объяснены на научной основе. Фактически, в средние века
металлургия была разделом алхимии и представляла собой колоритную смесь
эмпирических рецептов и предрассудков.
С развитием науки металлургия превратилась в раздел химии, каковым
остается и в настоящее время во многих университетских курсах. Быстрое
развитие науки о свойствах материалов, особенно благодаря развитию рент-
геновских методов и их использованию в кристаллографии, позволило по-
нять, что свойства металлов и сплавов определяются не только химическим
составом, но и структурой. Поэтому металлургия стала разделом физической
химии. Развитие атомистических представлений и подходов при объяснении
и изучении механических и электрических свойств металлических материалов
в рамках теории дислокаций и электронной теории металлов в начале XX в.
сместили металлургию в область физики. Постепенно выделилась самостоя-
тельная дисциплина — физика металлов, активно развивавшаяся в последние
50 лет. Наука о металлических и неметаллических материалах, основанная
на атомных моделях, сформировалась за последние 80 лет благодаря иссле-
дованиям в области физики металлов. Цель этих исследований состояла в
описании свойств материалов на основе атомистических физических моде-
лей, которые могли быть сформулированы с помощью уравнений состояния.
Это позволяет предсказывать свойства материалов и избавляет от необходимо-
сти проведения длительных и дорогостоящих экспериментов по исследованию
поведения материалов в различных условиях.
В 1960—1970 гг. стало очевидным, что насущную потребность в высоко-
функциональных и конкурентоспособных материалах можно удовлетворить за
счет неметаллических материалов, в частности керамических — для высоко-
температурных условий и пластических — для снижения массы автомобилей
и летательных аппаратов. Материаловеды быстро выяснили, что физические
основы металлургии с некоторыми ограничениями могут быть легко рас-