Основы материаловедения

СИБИРСКИЙ ФВДЕРАЛЬНЫИ УНИВЕРСИТЕТ 
SIBERIflfl FEDERAL UfllVERSITY 

ОСНОВЫ 
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ 

Учебное 
пособие 

УМО 

политЕхнинЕекии1инети™т 

ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ 

В учебном пособии предложены элементы модульного подхода к изучению материаловедения. 

ISBN 978-5-7638-2779-8 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ОСНОВЫ  
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ 
 
 
Допущено Учебно-методическим объединением по 
профессионально-педагогическому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных 
заведений, обучающихся по специальности 050501.07  
Профессиональное обучение (Материаловедение и обработка материалов), 19 июня 2012 г.  № 0521 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2013 

УДК 669.2 (07) 
ББК 35.77я73 
        О-751 
 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: В. А. Меновщиков, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой «Детали машин и технологии металлов» КрасГАУ; 
А. М. Синичкин,  канд. техн. наук, доц. каф. МиТОМ СФУ 
 
 
А в т о р ы:  Е. А. Астафьева, Ф. М. Носков, В. И. Аникина,  
В. С. Казаков, О. Ю. Фоменко 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
О-751 
Основы материаловедения : учеб. пособие /  Е. А. Астафьева, 
Ф. М. Носков, В. И. Аникина [и др.]. – Красноярск :  Сиб. федер. ун-т,  
2013. – 152 с. 
ISBN 978-5-7638-2779-8 
 
Предложены элементы модульного подхода к изучению материаловедения. 
Предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 50501.07  
Профессиональное обучение (Материаловедение и обработка материалов),                 
190700.62 – Технология транспортных средств; 221400.62 – Управление качеством; 221700.62 – Стандартизация и метрология; 261400.62 – Технология художественной обработки материалов; 140400.62 – Электроэнергетика и электротехника. 
 
 
УДК 669.2 (07) 
ББК 35.77я73 
 
 
ISBN 978-5-7638-2779-8                                                             Сибирский федеральный  
                                                                                                          университет, 2013 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Дисциплина «Материаловедение» изучает закономерности, определяющие свойства материалов в зависимости от их состава  и строения. 
Теоретические основы материаловедения базируются на законах физики твердого тела и физической химии. Опираясь на них,  дисциплина 
рассматривает прикладные вопросы формирования структуры и свойств 
многочисленных видов конструкционных и инструментальных  материалов.  
По дисциплине «Материаловедение» существует широкий спектр 
учебников и учебных пособий, где материал излагается подробно, на современном уровне развития теории и практики. Эти книги предназначены 
для студентов  металлургических и машиностроительных специальностей 
вузов, изучающих дисциплину в большом объеме. 
Студенты технических вузов не машиностроительных  направлений 
«Технология транспортных средств» 190700.62; «Управление качеством» 
221400.62; «Стандартизация и метрология» 221700.62; «Технология художественной обработки материалов» 261400.62; «Электроэнергетика и электротехника»140400.62  изучают материаловедение по программам, в которых большая часть часов отведена на самостоятельную работу. Требуются методики ее 
организации. 
В модульной технологии при обучении рабочим специальностям используются краткие учебно-методические пособия, называемые учебными 
элементами [1; 2]. Они позволяют организовать самостоятельную подготовку для освоения необходимых навыков и умений.  
В нашем случае учебные элементы нужны для формирования требуемого объема знаний при подготовке к лабораторным занятиям. В свою 
очередь, эти знания подкрепляются лабораторным практикумом.  
Для 
студентов 
специальности 
«Профессиональное 
обучение» 
050501.07, 050501.04 данное пособие интересно не только при изучении 
«Материаловедения», но и при освоении дисциплины «Методика профессионального обучения».  
Учебное пособие состоит из 12  учебных элементов, содержащих необходимые сведения по основным разделам курса.  
Каждый учебный элемента включает цели обучения, определенный 
объем информации и 10–15 тестовых заданий. Преподаватель должны 
иметь подобные тестовые задания для текущего контроля знаний студентов. 
Учебные элементы в модульной технологии выполняют информационную функцию, а преподаватель организационную, координирующую, 
консультирующую и контролирующую функции. Использование этого пособия помогает в  изучении дисциплины по обычным учебникам и учебным пособиям. Оно должно быть полезным для самостоятельного освоения дисциплины в условиях дефицита времени учебной работы в аудитории под руководством преподавателей. 

УЧЕБНЫЙ ЭЛЕМЕНТ 1 
 
 
Наименование: 
Строение металлов. 
 
 
Профессиональная область: 
Машиностроение. 
 
 
Цели: изучить атомно-кристаллическое строение металлов. 
 
 
Оборудование, материалы и вспомогательные средства: 
не требуются. 
 
 
Сопутствующие учебные элементы: 
нет. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Большинство металлов имеет кристаллическое строение. 
При нагревании металлов их кристаллическое строение должно сохраняться 
до равновесной (теоретической) температуры плавления Т0. 
Расплавленный металл при охлаждении должен перейти в кристаллическое состояние при этой же температуре. Но при 
равновесной температуре Т0 термодинамически устойчивы как жидкое, так и кристаллическое состояния, поэтому изменение существующего состояния металла не 
происходит. 

Âðåìÿ

Òâåðäûé
ìåòàëë

Æèäêèé
ìåòàëë

ÄÒ
0Ò

Òåìïåðàòóðà

êð
Ò

 
Для реализации процесса кристаллизации температура Ткр, при которой он произойдет, должна быть ниже равновесной 
температуры Т0 на величину переохлаждения ΔТ.  
Обратное превращение из кристаллического состояния в жидкое произойдет 
выше температуры Т0 на величину перегрева ΔТ при практической температуре плавления Тпл. 
Определение температур критических точек плавления и кристаллизации 
осуществляют при медленных охлаждениях и нагреваниях, т. е. в равновесном состоянии. Эти процессы изображают с помощью кривых охлаждения и нагревания. 

 
 

Âðåìÿ

Òâåðäûé
ìåòàëë

Æèäêèé
ìåòàëë

ÄÒ

0Ò

Òåìïåðàòóðà

ïë
Ò

 
 
В кристаллизованном (твердом) состоянии атомы (ионы) металлов расположены в строго определенном порядке.  
Атомы условно изображают в виде 
шаров. 
С помощью современных методов 
исследования определяют порядок расположения атомов (ионов) в металле. 

 
 

Воображаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие 
металл, называется кристаллической 
решеткой. 

 
 

z

õ

y

 
 
В 
кристаллической 
решетке 
можно выделить элементарный объем из минимального количества частиц (атомов), последовательным перемещением которого в пространстве 
вдоль трех осей может быть построена вся кристаллическая решетка. 

 

 
Элементарная ячейка 

 
Этот объем называется элементарной кристаллической ячейкой. 

 
 

à

b

c

á

ã
â

 

 
 
В разных металлах размеры 
кристаллических решеток отличаются и характеризуются величиной периодов a, b, c и элементарных углов 
, , . 

 

Воображаемые линии 

Атомы 

Кристаллические решетки большинства металлов подразделяются по 
форме элементарных ячеек на:  
объемно-центрированную 
кубическую (ОЦК), атомы расположены в 
углах куба и один атом –             в центре объема куба; 
 

 
 
 

 
ОЦК 
 
гранецентрированную 
кубическую (ГЦК), атомы расположены в углах куба и в центре каждой грани; 

 

 
ГЦК 
 
гексагональную 
плотноупакованную (ГПУ), атомы расположены в 
углах и центре шестигранных оснований призмы и три атома – в средней 
плоскости призмы. 

 
ГПУ 
 
Основное количество металлов 
получают кристаллизацией из жидкого 
состояния. 

Êîâø

Èçëîæíèöà

Ìåòàëë

При затвердевании металла в изложнице происходит зарождение 
мельчайших частиц – центров кристаллизации. Присоединившиеся к ним в 
разных направлениях атомы образуют растущие кристаллы. 
 

Âðåìÿ

Òâåðäûé
ìåòàëë

Æèäêèé
ìåòàëë

êð
Ò

Ò, °C

 
 
Структура сечения  
металлического изделия 
 

Постепенно 
количество 
жидкости 
уменьшается, а число кристаллов и их размеры 
увеличиваются. 
 
Кристаллы сталкиваются друг с другом и 
соприкасающиеся элементарные ячейки теряют правильную форму. 

 

Граница зерен
Зерно
 
 
Строение поликристалла 
 

 
Структура затвердевшего металла состоит из кристаллов неправильной формы, которые называются зернами или кристаллитами. 
 
Микрообъем зерна, или кристаллита, металла образован множеством элементарных 
ячеек, которые имеют примерно одинаковую 
ориентацию. 
 
Отдельные зерна имеют различные ориентации кристаллических решеток, так как 
растут из разных зародышевых центров. 

 
 

Обычно металл состоит из множества зерен, т. е. является поликристаллическим. 
 
Граница сросшихся при затвердевании зерен представляет собой тонкую 
зону с нарушением порядка в расположении атомов и  является поверхностным дефектом строения реального металла. Эти дефекты малы в одном измерении (по толщине) и являются поверхностями раздела между отдельными зернами. 

 

 
Различно ориентированные кристаллические решетки отдельных зерен, 
образуют большеугловые межзеренные 
границы. Это связано с тем, что кристаллографические направления в соседних 
зернах образуют между собой углы α 
больше 10°. 
 
Нарушение упорядоченного расположения атомов по границам зерен способствует повышению их энергии по 
сравнению с атомами внутри зерен. Поэтому граничные атомы более склонны 
вступать в химические  реакции. 

α

Межзеренная граница
Зерно 1

Зерно 2
Зерно 3

Отдельное зерно реального поликристаллического металла, в свою очередь, состоит из субзерен или блоков, 
которые в процессе кристаллизации разориентированны на угол в доли градуса. 
 
Малоугловые границы также разновидность поверхностных дефектов. 

Граница зерна
(межзеренная граница)

Субзеренная
граница
Субзерно 1
Субзерно 2

Субзерно 3

Схема расположения субзерен 
в отдельном зерне