- •Учебник подготовлен в рамках Инновационной образовательной программы
- •ISBN 978-5-7262-0821-3
- •ISBN 978-5-7262-0978-4 (т. 4)
- •15.1. Мольный термодинамический потенциал Гиббса
- •15.2. Система уравнений равновесия двух фаз
- •15.4. Различные трактовки системы уравнений равновесия
- •15.6. Термодинамическая теория фазовых переходов 1-го рода
- •15.7. Феноменологический метод описания фазовых переходов
- •15.8. Методы расчета параметров стабильности чистых
- •15.10. Инвариантность решений системы уравнений фазового
- •15.12.1. Обобщение правила равенства площадей Максвелла
- •15.12.2. Обобщение правила равенства площадей Максвелла
- •15.14. У-алгоритм расчета равновесия двух неизоморфных
- •15.18. Одно/двухфазные α/α+β или β/α+β фазовые границы
- •15.21. Анализ трехфазных равновесий в двухкомпонентных
- •системах. Расчет энтальпии трехфазной реакции T–p–x
- •Глава 11. ФИЗИКА ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ
- •11.1.1. Основные понятия
- •11.1.2. Напряжения и деформации
- •11.1.3. Диаграмма растяжения: характерные точки
- •11.2. Упругость
- •11.2.1. Закон Гука для случая одноосной деформации
- •11.2.3. Закон Гука в обобщенном виде
- •11.2.4. Модули и коэффициенты упругости
- •11.3. Процессы пластической деформации
- •11.3.1. Кристаллографическое скольжение
- •11.3.2. Фактор Шмида
- •11.3.4. Начало пластической деформации
- •11.3.6. Взаимосвязь величин сдвиговой деформации
- •11.3.7. Стадии деформационного упрочнения
- •11.3.8. Теории дислокационного упрочнения
- •11.3.9. Текстуры деформации и текстурное упрочнение
- •11.3.10. Двойникование как механизм деформации
- •11.3.15. Возникновение зуба текучести
- •11.4. Ползучесть
- •11.4.1. Неупругая обратимая ползучесть
- •11.4.2. Логарифмическая ползучесть
- •11.4.3. Высокотемпературная ползучесть
- •11.4.4. Диффузионная ползучесть
- •11.4.5. Характеристики ползучести
- •11.5. Разрушение
- •11.5.1. Основные виды разрушения
- •11.5.2. Зарождение трещины
- •11.5.7. Схема Иоффе перехода из хрупкого
- •11.5.8. Особенности охрупчивания ОЦК металлов
- •11. 6. Усталость материалов
- •11.6.1. Общие характеристики явления
- •11.6.2. Особенности протекания пластической деформации при циклическом нагружении
- •11.6.4. Влияние различных факторов на усталость
- •Контрольные вопросы
- •Список использованной литературы
- •Введение
- •Контрольные вопросы
- •Глава 13. РАДИАЦИОННАЯ ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА
- •Введение
- •13.5.2. Низкотемпературное радиационное охрупчивание
- •Влияние облучения на стали. Наиболее важным требованием к конструкционным материалам в процессе длительного облучения является стабильность их физических и механических свойств. Поэтому пригодность той или иной стали для изготовления узлов и деталей активной зоны атомного реактора может быть обоснована только после определения ее свойств в нейтронном поле.
- •На рис. 13.46 показаны начальные участки кривых растяжения нескольких монокристаллических образцов урана близкой ориентировки, облученных различными флюенсами (номера кривых соответствуют номерам на стереографической проекции выхода оси растяжения).
- •13.6.2. Механизмы радиационной ползучести
- •Контрольные вопросы
- •Глава 14. ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕДАХ
- •14.1. Задачи компьютерного моделирования
Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)
ФИЗИЧЕСКОЕ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
В шести томах
Под общей редакцией Б. А. Калина
Том 4
Физические основы прочности. Радиационная физика твердого тела. Компьютерное моделирование
Рекомендовано ИМЕТ РАН в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению «Ядерные физика и технологии» Регистрационный номер рецензии 181
от 20 ноября 2008 года МГУП
Москва 2008
УДК 620.22(075) ББК 30.3я7 К17
ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ: Учебник для вузов./Под общей ред. Б.А. Калина. – М.: МИФИ, 2008.
ISBN 978-5-7262-0821-3
Том 4. Физические основы прочности. Радиационная физика твердого тела. Компьютерное моделирование/ Е.Г. Григорьев, Ю.А. Перло-
вич, Г.И. Соловьев, А.Л. Удовский, В.Л. Якушин. – М.: МИФИ, 2008. – 696 с.
Учебник «Физическое материаловедение» представляет собой 6-том- ное издание учебного материала по всем учебным дисциплинам базовой материаловедческой подготовки, проводимой на 5–8 семестрах обучения студентов по кафедре Физических проблем материаловедения Московского инженерно-физического института (государственного университета).
Том 4 содержит описание основных закономерностей взаимодействия излучения с твердым телом, физики прочности и радиационных повреждений, свойств материалов и моделирования физических процессов, изложенных в главах «Физические основы прочности», «Взаимодействие излучения с веществом», «Радиационная физика твердого тела», «Моделирование в материаловедении» и «Физические основы компьютерного проектирования материалов».
Учебник предназначен для студентов, обучающихся по специальности «Физика конденсированного состояния», и аспирантов, специализирующихся в области физики конденсированных сред и материаловедения, и может быть полезен молодым специалистам в области физики металлов, твердого тела и материаловедения.
Учебник подготовлен в рамках Инновационной образовательной программы
ISBN 978-5-7262-0821-3
ISBN 978-5-7262-0978-4 (т. 4)
©Московский инженерно-физический институт (государственный университет), 2008
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Основные условные обозначения ................................................................. |
9 |
Предисловие к тому 4 ..................................................................................... |
13 |
Глава 11. ФИЗИКА ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ .................................... |
15 |
11.1. Описание и характеристики процесса деформации....................... |
15 |
11.1.1. Основные понятия.................................................................... |
15 |
11.1.2. Напряжения и деформации...................................................... |
17 |
11.1.3. Диаграмма растяжения: Характерные точки ......................... |
21 |
11.1.4. Масштабные уровни описания процессов деформации....... |
26 |
11.2. Упругость ......................................................................................... |
29 |
11.2.1. Закон Гука для случая одноосной деформации .................... |
29 |
11.2.2. Закон Гука как результат взаимодействия соседних |
|
атомов........................................................................................ |
29 |
11.2.3. Закон Гука в обобщенном виде .............................................. |
32 |
11.2.4. Модули и коэффициенты упругости ..................................... |
34 |
11.2.5. Зависимость модулей упругости от различных |
|
факторов ................................................................................ |
37 |
11.3. Процессы пластической деформации............................................. |
39 |
11.3.1. Кристаллографическое скольжение........................................ |
39 |
11.3.2. Фактор Шмида ......................................................................... |
43 |
11.3.3. Необходимость введения дислокационных |
|
представлений........................................................................... |
45 |
11.3.4. Начало пластической деформации ......................................... |
46 |
11.3.5. Повороты кристаллической решетки в результате |
|
пластической деформации скольжением .............................. |
47 |
11.3.6. Взаимосвязь величин сдвиговой деформации |
|
и поворота решетки ................................................................. |
53 |
11.3.7. Стадии деформационного упрочнения |
|
и этапы переориентации ......................................................... |
54 |
11.3.8. Теории дислокационного упрочнения ................................... |
56 |
11.3.9. Текстуры деформации и текстурное упрочнение ................. |
61 |
11.3.10. Двойникование как механизм деформации ......................... |
67 |
11.3.11. Анизотропное поведение листовых образцов |
|
при растяжении ....................................................................... |
73 |
11.3.12. Влияние границ зерен на деформацию поликристаллов ... |
74 |
11.3.13. Особенности расчета кривых течения |
|
для поликристаллов ............................................................... |
78 |
11.3.14. Возможные подходы к моделированию деформации |
|
поликристалла ......................................................................... |
80 |
11.3.15. Возникновение зуба текучести ............................................. |
81 |
11.3.16. Влияние температуры на деформацию поликристаллов ... |
85 |
11.4. Ползучесть......................................................................................... |
88 |
11.4.1. Неупругая обратимая ползучесть............................................ |
89 |
3
11.4.2. Логарифмическая ползучесть.............................................. |
92 |
11.4.3. Высокотемпературная ползучесть ...................................... |
94 |
11.4.4. Диффузионная ползучесть................................................... |
97 |
11.4.5. Характеристики ползучести................................................. |
102 |
11.5. Разрушение ........................................................................................ |
104 |
11.5.1. Основные виды разрушения................................................ |
104 |
11.5.2. Зарождение трещины ........................................................... |
106 |
11.5.3. Критерий Гриффитса для роста хрупкой трещины .......... |
107 |
11.5.4. Критерий Гриффитса при учете пластической |
|
деформации вблизи вершины трещины ........................... |
109 |
11.5.5. Связь характера разрушения со структурой материала..... |
112 |
11.5.6. Температура хрупко-вязкого перехода |
|
и пути ее снижения .............................................................. |
114 |
11.5.7. Схема Иоффе перехода из хрупкого в пластичное |
|
состояние ............................................................................... |
119 |
11.5.8. Особенности охрупчивания ОЦК металлов ...................... |
120 |
11.5.9. Некоторые возможности методов физического |
|
металловедения при изучении процессов разрушения ...... |
121 |
11.6. Усталость металлических материалов ........................................... |
123 |
11.6.1. Общие характеристики явления ......................................... |
123 |
11.6.2. Особенности протекания пластической деформации |
|
при циклическом нагружении ............................................. |
126 |
11.6.3. Зарождение и распространение усталостных трещин ...... |
131 |
11.6.4. Влияние различных факторов на усталость ...................... |
133 |
Контрольные вопросы .............................................................................. |
138 |
Список использованной литературы ...................................................... |
139 |
Глава 12. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ ............. |
141 |
Введение .................................................................................................... |
141 |
12.1. Упругое взаимодействие двух тел .................................................. |
146 |
12.1.1. Характеристики, описывающие взаимодействие |
|
излучения с веществом ...................................................... |
146 |
12.1.2. Способы описания упругого взаимодействия ................... |
152 |
12.1.3. Самопроизвольный распад частицы ................................... |
155 |
12.1.4. Парные столкновения .......................................................... |
158 |
12.1.5. Общее уравнение движения частиц ................................... |
165 |
12.1.6. Примеры описания рассеяния в классическом случае ..... |
169 |
12.2. Виды потенциалов ионно-атомного взаимодействия ................... |
176 |
12.3. Приближенные методы описания рассеяния ................................. |
181 |
12.3.1. Приближенные потенциалы и условия их выбора............. |
182 |
12.3.2. Приближенные выражения для описания рассеяния ........ |
183 |
12.4. Основы рассеяния релятивистских частиц ................................... |
187 |
12.5. Основы квантового описания рассеяния ....................................... |
195 |
12.6. Влияние кристаллической решетки на процессы упругого |
|
взаимодействия ................................................................................. |
203 |
4
12.6.1. Кооперативные эффекты при рассеянии квантовых |
|
частиц ..................................................................................... |
204 |
12.6.2. Обратная решетка и ее основные свойства ........................ |
207 |
12.6.3. Условия формирования дифракционного максимума....... |
208 |
12.6.4. Структурный множитель интенсивности .......................... |
212 |
12.6.5. Расчет амплитуды пучков, рассеянных на кристалле ....... |
214 |
12.6.6. Тепловые колебания атомов ............................................... |
217 |
12.6.7. Экстинкционная длина ........................................................ |
220 |
12.6.8. Кооперативные эффекты при рассеянии классических |
|
частиц ..................................................................................... |
222 |
12.7. Действие облучения на материалы ................................................ |
230 |
12.7.1. Образование элементарных радиационных дефектов ...... |
232 |
12.7.2. Анизотропия дефектообразования при малых энергиях |
|
первично-выбитого атома ................................................... |
242 |
12.7.3. Каскады атомных столкновений ......................................... |
246 |
12.7.4. Виды каскадов и их описание ............................................. |
256 |
12.7.5. Количественная оценка степени радиационного |
|
воздействия на материалы ................................................... |
282 |
Контрольные вопросы .............................................................................. |
285 |
Список использованной литературы ...................................................... |
287 |
Глава 13. РАДИАЦИОННАЯ ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА ...................... |
288 |
Введение .................................................................................................... |
288 |
13.1. Особенности облучения нейтронами делящихся материалов...... |
291 |
13.2. Радиационный рост материалов ..................................................... |
298 |
13.2.1. Закономерности радиационного роста монокристаллов, |
|
изотропного и текстурированного поликристаллического |
|
урана ......................................................................................... |
298 |
13.2.2. Представления о причинах радиационного роста................. |
304 |
13.2.3. Радиационный рост конструкционных материалов.............. |
311 |
13.3. Распухание материалов ................................................................... |
318 |
13.3.1. Явление газового распухания топливных материалов ........ |
318 |
13.3.2. Распухание топлива, обусловленное твердыми |
|
продуктами деления ............................................................... |
326 |
13.3.3. Вакансионное распухание металлических сплавов |
|
под действием облучения ....................................................... |
329 |
13.4. Радиационно-индуцированные превращения и ускоренные |
|
процессы ............................................................................................ |
339 |
13.4.1. Явление радиационной гомогенизации сплавов урана ....... |
341 |
13.4.2. Аморфизация сплавов под облучением ................................ |
351 |
13.4.3. Сегрегация элементов в сплавах при облучении ................. |
354 |
13.4.4. Радиационно-индуцированная сепарация атомов |
|
в сплавах .................................................................................. |
359 |
13.4.5. Упорядочение и разупорядочение сплавов |
|
под облучением ....................................................................... |
362 |
13.4.6. Радиационно-ускоренная диффузия ..................................... |
365 |
5
13.5. Радиационное упрочнение и охрупчивание .................................. |
371 |
13.5.1. Влияние условий облучения на упрочнение ........................ |
372 |
13.5.2. Низкотемпературное радиационное охрупчивание ............. |
377 |
13.5.3. Особенности влияния облучения на механические |
|
свойства ................................................................................... |
378 |
13.5.4. Высокотемпературное радиационное охрупчивание |
|
материалов ............................................................................... |
395 |
13.6. Радиационная ползучесть материалов ........................................... |
403 |
13.6.1 Закономерности радиационной ползучести .......................... |
303 |
13.6.2. Механизмы радиационной ползучести ................................. |
408 |
13.7. Релаксация напряжений в материалах при облучении ................. |
417 |
13.8. Радиационная эрозия поверхности ................................................. |
427 |
13.8.1. Распыление материалов ......................................................... |
427 |
13.8.2. Радиационный блистеринг .................................................... |
443 |
13.8.3. Эрозия вследствие униполярных дуг .................................... |
469 |
Контрольные вопросы .............................................................................. |
471 |
Список использованной литературы ...................................................... |
473 |
Глава 14. ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ |
|
В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕДАХ ............................................. |
474 |
14.1. Задачи компьютерного моделирования ......................................... |
474 |
14.1.1. Различные типы вычислительного эксперимента ............... |
477 |
14.1.2. Моделирование на основе микроскопических процессов |
|
в конденсированной среде ..................................................... |
478 |
14.1.3. Моделирование макроскопических процессов |
|
в конденсированной среде ..................................................... |
480 |
14.1.4. Основные методы решения задач моделирования .............. |
483 |
14.2. Примеры математических моделей макроскопических |
|
процессов ........................................................................................... |
486 |
14.2.1. Примеры моделей на основе закона сохранения энергии ... |
486 |
14.2.2. Свойства моделей теплопередачи ......................................... |
489 |
14.2.3. Автомодельные решения модели нелинейной |
|
теплопроводности ................................................................... |
491 |
14.2.4. Задача о фазовом переходе. Задача Стефана ........................ |
495 |
14.2.5. Компьютерное моделирование воздействия |
|
на поверхность материала мощным ионным пучком .......... |
498 |
14.3. Моделирование на основе микроскопических процессов ............ |
503 |
14.3.1. Метод молекулярной динамики ............................................ |
503 |
14.3.2. Вариационный метод ............................................................. |
518 |
14.3.3. Метод Монте-Карло ............................................................... |
535 |
14.4. Фракталы и фрактальные структуры ............................................. |
546 |
14.5. Вейвлет-анализ. Применение к обработке изображений ............. |
558 |
Контрольные вопросы .............................................................................. |
565 |
Список использованной литературы ...................................................... |
566 |
6