Материаловедение для монтажников технологического оборудования, трубопроводов и металлоконструкций

УДК 691:69.057(075.32)
ББК 38.3я722
 
Ш 64

Ре ц е н з е н т ы: цикловая комиссия преподавателей специальных 
дисциплин УО «Белоозерский государственный профессионально-технический колледж электротехники» (О.В. Пупыкина); заведующий кафедрой 
материаловедения и технологии металлов УО «Белорусский государственный технологический университет» кандидат технических наук Д.В. Куис; 
профессор этой же кафедры доктор технических наук, профессор Н.А. Свидунович

Выпуск издания осуществлен по заказу Республиканского института 
профессионального образования и при финансовой поддержке Министерства образования Республики Беларусь

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

ISBN 978-985-06-2102-3 
© Широкий Г.Т., Юхневский П.И., 
 
Бортницкая М.Г., 2012 
 
© Оформление. РУП «Издательство 
 
“Вышэйшая школа”», 2012

ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ

Материалами называют вещества, обладающие необходимым комплексом свойств для выполнения заданных функций 
отдельно или в совокупности с другими веществами. Номенклатура материалов и изделий, применяемых в промышленности, насчитывает сотни тысяч наименований. Изучить каждый 
из них в отдельности практически невозможно. «Материаловедение» позволяет изучить общие закономерности формирования структуры и свойств материалов и методы управления 
ими. Поэтому материаловедением называют прикладную науку 
о связи состава, строения и свойств материалов, как на стадии 
их производства, так и в различных условиях эксплуатации. 
Знание закономерностей изменения свойств материалов во 
времени и в условиях эксплуатации позволяет целенаправленно воздействовать на них при переработке в изделия, создании 
новых материалов с заданными свойствами и прогнозировать 
работоспособность их в конструкциях и сооружениях. 
Условно материаловедение можно подразделить на теоретическое и прикладное. Теоретическое материаловедение рассматривает общие закономерности строения материалов и процессы, происходящие в них при внешних воздействиях. Прикладное – определение оптимальных структуры и технологии 
переработки материалов при изготовлении изделий и конструкций.
Материаловедение является одной из основных учебных 
дисциплин, определяющих уровень подготовки учащихся и 
студентов учреждений среднего и высшего образования. Значение ее определяется, прежде всего, широким диапазоном материалов, используемых практически во всех отраслях народного хозяйства. Знания, полученные в ходе изучения дисциплины, должны обеспечить в производственных процессах 

рациональное и эффективное использование материалов при 
соблюдении требований экономики, экологии и безопасности 
труда. 
В предлагаемом учебном пособии нашли отражение не 
только традиционные материалы и изделия, применяемые в 
данной области, но и приведены сведения о материалах, которые только получают прописку на рынках нашей страны. Наряду с металлическими, традиционно применяемыми в монтажных и такелажных работах, особое внимание уделено изделиям из синтетических материалов (пластмасс). При этом 
основные характеристики строительных материалов и изделий, требования к ним, условия применения и способы защиты 
от воздействия внешней среды изложены с учетом новейших 
достижений в области монтажных работ и нормативной базы, 
действующей на территории нашей страны. Кроме того, в целях устранения технических барьеров в международном сотрудничестве в области строительства, изложение учебного 
материала строилось по возможности в соответствии с европейскими нормами и стандартами. 
Настоящее учебное пособие предназначено для подготовки 
высококвалифицированных специалистов в области монтажа 
технологического оборудования, трубопроводов и металлоконструкций, а также может быть полезно для подготовки 
других специалистов, в том числе и менеджеров строительных компаний.
Авторы выражают искреннюю признательность рецензентам за высказанные замечания, способствующие улучшению 
содержания учебного пособия, а также доктору технических 
наук заведующему кафедрой «Технология бетона и строительные материалы» Белорусского национального технического 
университета Э.И. Батяновскому за полезные советы при обсуждении материалов учебного пособия.
Все отзывы и пожелания, улучшающие содержание учебного пособия «Материаловедение для монтажников технологического оборудования, трубопроводов и металлических конструкций», просим присылать по адресу: издательство «Вышэйшая школа», пр. Победителей, 11, 220048, Минск. 

Ãëàâà 1

ÎÁÙÀß ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÀ ÌÅÒÀËËÎÂ È ÑÏËÀÂÎÂ

1.1. Îïðåäåëåíèå è êëàññèôèêàöèÿ ìåòàëëîâ

Общие сведения о металлах. Термин «металл» получил 
свое происхождение от латинского metallum – шахта, на основе 
греческого metallon, обозначавшего копи, рудники. 
В настоящее время металлами называют кристаллические 
вещества с закономерным расположением атомов в узлах пространственной решетки. К ним относится около 75 % элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева. Самым распространенным металлом в земной коре является алюминий.
Свойства металлов весьма разнообразны. Например, ртуть 
замерзает при tпл= –38,8 °С, вольфрам имеет tпл=3420 °С и выдерживает рабочую температуру до 2000 °С. Литий, натрий и 
калий – легче воды, а иридий и осмий – в 42 раза тяжелее лития. Электропроводность серебра в 130 раз больше, чем марганца. 
Для металлов характерны и общие свойства: плотная кристаллическая структура; высокая прочность; способность к 
значительным пластическим деформациям, что дает возможность обрабатывать их давлением (прокатка, ковка, штамповка, волочение); хорошие литейные свойства; способность к образованию сплавов; свариваемость; выносливость (способность работать при низких и высоких температурах); высокие 
тепло- и электропроводность; особый блеск, называемый металлическим и др. Наличие этих свойств и характеризует так 
называемое металлическое состояние вещества. Неметаллы не 
обладают вышеперечисленными свойствами и резко отличаются по внешнему виду от металлов.
Существует несколько типов классификаций металлов. Условно (исторически) они подразделяются на две большие 
группы: черные и цветные (рис. 1.1). 
Традиционно к черным металлам, имеющим темно-серый 
цвет, относятся железо и сплавы на его основе (сталь, чугун и 
ферросплавы). Все остальные металлы и сплавы составляют 
группу цветных (нежелезных) металлов. Характерной окраской для них является красная, желтая и белая. Однако по не

Рис. 1.1. Классификация металлов и сплавов

которым источникам к группе черных металлов относят также 
кобальт, никель и марганец.
Из группы цветных металлов выделяют благородные и редкие. Благородные получили такое название благодаря очень 
высоким физико-химическим и механическим свойствам как в 
чистом виде, так и в виде соединений с другими металлами. К 
ним относят золото, серебро и платиновые металлы. 
Признаком редкого металла в технике считается сравнительная новизна его практического применения. Поэтому важнейшими отраслями их применения являются ядерная энергетика, ракетная техника, радиоэлектроника. К ним относят галлий, индий, бериллий, цезий и др.
Из всех металлов наибольшее распространение в строительстве получили железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны. На их долю приходится около 95 % производимой в мире 
металлопродукции. Железоуглеродистые сплавы имеют относительно высокую механическую прочность, твердость, плотность и сравнительно невысокую стоимость. 
Чистые металлы и сплавы. Чистые металлы состоят из 
одного основного элемента и незначительного количества примесей других элементов. По степени чистоты различают металлы технической, высокой и особой чистоты. 
В природе металлы встречаются как в чистом виде, так и в 
рудах, оксидах и солях. Однако большинство металлов в чистом виде встречаются крайне редко. В чистом виде встречаются только химически устойчивые элементы – золото, серебро, медь. Масса наибольших самородков металлов, зафиксированных в природе: меди – 420 т, серебра – 13,5 т, золото – 
112 кг. 
Однако чистые металлы находят ограниченное применение 
как в строительстве, так и в машиностроении. В большинстве 
случаев они обладают недостаточно высокими физическими, 
механическими и химическими свойствами, имеют сравнительно высокую стоимость, достаточно сложную технологию 
получения и переработки и мало пригодны для технических 
целей. Их используют, как правило, только в тех случаях, когда 
к материалу предъявляются высокие требования в отношении 
тепло- и электропроводности, высокой температуры плавления и т.п. Например, провода, кабели, обмотки электрических 
машин и др.
Для изменения свойств металлов в требуемом направлении 
их сплавляют с другими элементами. Такие соединения или 

системы, состоящие из двух или нескольких металлов или металлов и некоторых неметаллов, называют сплавами, а элементы, входящие в их состав – компонентами. Компонентами 
могут быть как химические элементы, так и устойчивые химические соединения. 
Например, латунь – сплав меди с цинком, бронза – сплав 
меди с оловом или другими элементами, сталь и чугун – сплавы железа с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором и серой. В настоящее время известно более 10 тыс. используемых 
в промышленности сплавов. 
По числу компонентов сплавы делятся на двухкомпонентные (двойные или бинарные), трехкомпонентные (тройные) и 
многокомпонентные.
Компонент, преобладающий в сплаве количественно, называется основным, а компоненты, вводимые в сплав для придания ему нужных свойств, – легирующими. Совокупность компонентов сплава называется системой. Изменяя компоненты и 
соотношения между ними, получают сплавы с самыми разнообразными физическими, механическими или химическими 
свойствами.
Сплавы тоже обладают всеми характерными свойствами 
металлов, однако качественные характеристики их обычно 
резко отличаются от чистых исходных металлов и их можно 
регулировать. Например, сплав, содержащий 40 % кадмия и 60 % 
висмута, имеет температуру плавления 144 °С, а температура 
плавления составляющих его компонентов – соответственно 
321 °С и 271 °С, т.е. намного выше. 
Сплавы, как правило, превосходят чистые металлы по прочности, твердости, износостойкости, жаропрочности, обрабатываемости резанием, литейным свойствам и т.д. Поэтому 
сплавы применяются значительно шире чистых металлов. Однако в технике, как чистые металлы, так и сплавы, объединены 
под общим термином «металлы». 

1.2. Îáùåå ïðåäñòàâëåíèå î ñòðîåíèè ìåòàëëîâ 

Внутреннее строение металлов. Поскольку металлы в 
твердом состоянии в отличие от аморфных веществ имеют 
кристаллическое внутреннее строение, то образующие их элементарные частицы (атомы) в процессе кристаллизации из 
расплавленного (жидкого) состояния группируются в строго 

определенной последовательности, образуя кристаллические 
решетки. 
Кристаллическая решетка представляет собой элемент 
объема, образованный минимальным количеством атомов, 
многократное повторение которого в пространстве позволяет 
построить весь кристалл. Всего существует 14 типов кристаллических решеток. У металлов наиболее распространенными 
являются три типа кристаллической решетки: объемно-центрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ). Кубические решетки могут быть также тетрагональными и др. Для 
изображения кристаллической решетки пользуются упрощенными схемами (рис. 1.2). 
В объемно-центрированной кубической решетке содержится девять атомов: восемь расположены в вершинах куба и один – в 
центре объема (рис. 1.2, а). Такую решетку имеют молибден, 
вольфрам, ванадий и другие металлы. 
В гранецентрированной кубической решетке находится четырнадцать атомов, которые расположены в вершинах куба и в 
центре каждой грани (рис. 1.2, б). Такая кристаллическая решетка характерна для никеля, меди, алюминия, свинца, золота, 
серебра и др. 

Рис. 1.2. Основные типы кристаллических решеток и схемы упаковки в них 
атомов: 
а – объемно-центрированная кубическая; б – гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная

а
в
б

В гексагональной плотноупакованной решетке содержится 
семнадцать атомов, которые расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы и три атома в средней 
плоскости призмы (рис. 1.2, в). Такой тип кристаллической решетки имеют магний, цинк, кадмий, альфа-цирконий и другие 
металлы.
При этом линии на схемах и точечное расположение атомов 
в узлах кристаллической решетки является условным. В действительности атомы имеют определенные размеры, колеблются с большой частотой в узлах решетки и могут соприкасаться друг с другом внешними слоями электронных оболочек 
(см. рис. 1.2).
Основными параметрами кристаллической решетки являются период, коэффициент компактности, координационное 
число и базис. 
Под периодом решетки понимается расстояние между ближайшими параллельными атомными плоскостями, образующими элементарную ячейку. Период решетки измеряется, как 
правило, в нанометрах (нм) и находится в пределах от 0,1 до 
0,7 нм (1 нм = 10–9 м). Например, период решетки железа составляет 0,287 нм, меди – 0,361 нм, вольфрама – 0,316 нм. Период решетки может измеряться также в ангстремах (А) и составлять от 1 до 7 А (1 А = 10–10 м).
Плотность кристаллической решетки, т.е. объем, занятый 
атомами, характеризуется коэффициентом компактности (коэффициентом заполнения). Он равен отношению суммарного 
объема атомов, входящих в решетку, к объему всей решетки. 
Координационным числом называется количество атомов, 
находящихся на равном и наименьшем расстояниях от одного, 
так называемого базисного атома. Чем больше координационное число решетки, тем выше плотность упаковки атомов. Например, для объемно-центрированной кубической решетки координационное число равно 8, а коэффициент компактности – 
68 %. Для гранецентрированной кубической и гексагональной 
плотноупакованной решеток координационное число равно 12. 
Последние являются наиболее компактными, и в них коэффициент компактности составляет 74 %.
Базисом решетки называется количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. Например, на одну элементарную ячейку объемно-центрированной кубической решетки приходится два атома: один, находящийся в центре куба 
и принадлежащий только данной ячейке, и второй – как сумма