Фазовые и структурные превращения в металлах и сплавах

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 

Л. А. Свечникова, В. И. Темных, А. М. Токмин 

ФАЗОВЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ 
В МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ 

Учебное пособие 

Красноярск 
СФУ 
2016 

УДК 669.017.3(07) 
ББК 34.204.3я73 
С244 

Рецензенты: 
А. С. Помельникова, доктор технических наук, профессор кафедры материаловедения (МТ-8) МГТУ им. Н.Э. Баумана; 
Н. М. Романченко, кандидат технических наук, доцент кафедры общеинженерных дисциплин Красноярского государственного 
аграрного университета. 

Свечникова, Л. А. 
С244 
Фазовые и структурные превращения в металлах и сплавах : 
учеб. пособие / Л. А. Свечникова, В. И. Темных, А. М. Токмин. – 
Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2016. – 194 с. 
ISBN 978-5-7638-3425-3 

Расширенно представлены теоретические сведения по основным фазовым и структурным превращениям в сплавах при первичной кристаллизации и в твердом состоянии, а также в области упрочнения материалов при подводе нетепловых форм энергии. 
Предназначено для бакалавров направления 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов», профиль 22.03.01.00.07 
«Материаловедение и технологии материалов в машиностроении». 

Электронный вариант издания см.: 
УДК 669.017.3(07) 
http://catalog.sfu-kras.ru  
ББК 34.204.3я73 

ISBN 978-5-7638-3425-3 
© Сибирский федеральный 
университет, 2016 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
 
Дисциплина «Фазовые и структурные превращения в металлах  
и сплавах» завершает цикл дисциплин, которые изучают студенты материаловедческих специальностей. 
Материаловедение – постоянно развивающаяся наука, непрерывно 
обогащающаяся за счет разработки новых сталей и сплавов, которые,  
в свою очередь, стимулируют прогресс во всех областях науки и техники. 
Техническое значение материала определяется его строением и выражается в его свойствах. Современный уровень развития материаловедения предусматривает получение материалов, которые обладают свойствами, превосходящими обычный уровень таких свойств, как упругость, пластичность и прочность, в десятки раз, позволяет понять причины сверхупругости, сверхпластичности и еще более интересного эффекта – механической «памяти» металлов. Можно удлинить металлический стержень без 
разрушения в 50 раз, можно навить по всем правилам пружину, а она тут 
же снова превратится в прямую проволоку, можно заставить металл сжиматься при нагревании, хотя хорошо известно, что тела при нагревании 
обычно расширяются. Можно изменить даже естественный порядок во 
взаимном расположении атомов металла, заставить его отказаться от своей 
обычной кристаллической структуры и получить аморфный металл или 
металлическое стекло с таким атомным строением, какое имеет застывшая 
жидкость. Из двух материалов с сильно различающимися свойствами 
можно «собрать» третий новый материал, который как бы суммирует преимущества каждого, а недостатки сглаживает. 
Создание новых материалов с заданным уровнем свойств является 
постоянной задачей, стоящей перед материаловедами и технологами  
в металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности.  
Современное материаловедение как наука о структуре и свойствах 
различных материалов существенно модернизируется за счет интеграции 
физики твердого тела, химии и технологии неорганических веществ, механики твердого деформированного тела и нелинейной механики разрушения. Единый синергетический подход к явлениям первичной и вторичной 
кристаллизации, упругой и пластической деформации стал возможен благодаря новому пониманию реальной структуры материалов на всех иерархических уровнях. 
В последние годы получило развитие новое научное направление в 
материаловедении – фрактальное материаловедение. Основная задача его 
заключается в разработке принципов управления структурой материалов за 

3 

счет целенаправленного введения и последующей реализации контролируемых обратных связей с целью получения материалов со свойствами, 
необходимыми для заданных условий эксплуатации. Структура всех уровней сплавов рассматривается как живой организм, в котором постоянно 
под действием внешних эксплуатационных факторов происходят структурные превращения как с прямыми, так и обратными связями, причем эти 
превращения происходят в режиме «самоорганизации». В процессе перестройки формируются фрактальные структуры, которые нельзя описать в 
рамках геометрии Эвклида, так как они имеют нестандартную форму. 
Примерами фрактальных структур являются границы зерен и блоков, границы раздела фаз и пор в пространстве. Наглядной фрактальной структурой является дендритное строение слитка металла. 
Следовательно, как при создании сплавов новых композиционных 
материалов, так и при их эксплуатации для эффективного управления 
свойствами сплавов необходимо более глубоко представлять механизмы 
структурных превращений, дислокационно-структурные механизмы разрушения, иметь понятия о фракталах и возможностях использования 
принципа обратных связей, действующих в микроструктурах сплавов. Это 
поможет сохранить оптимальные метастабильные структуры, соответствующие требуемым физико-механическим свойствам сплавов и различных 
материалов для повышения долговечности их работы. 
В данном учебном пособии расширенно представлены теоретические 
сведения по основным фазовым и структурным превращениям, протекающим в сплавах как при первичной кристаллизации, так и в твердом состоянии, а также материал, основанный на достижениях в области упрочнения 
материалов за последние годы. 

4

1. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

1.1. КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК 

Начало науки о металлах в России было положено великим русским 
ученым М. В. Ломоносовым в его труде «Первые основания металлургии 
или рудных дел». 
Однако по праву начало металловедения как науки связано с именем 
великого русского металлурга Павла Петровича Аносова. 
П. П. Аносов открыл секрет изготовления клинков из булатной стали, обладающих замечательными свойствами: чрезвычайной остротой лезвия и большой гибкостью и упругостью. Им был выполнен большой объем 
работ в области создания технологии изготовления высококачественной 
литой стали, изучения влияния легирующих элементов (марганца, хрома, 
титана, платины, золота и других) на свойства стали, а также формы вводимого в сталь углерода – от лепестков роз до алмаза. Изучение рисунков 
на булатах помогло прийти к выводу, что они являются проявлением внутренней структуры металла. П. П. Аносов впервые показал, что свойства 
стали зависят от ее макроструктуры и микроструктуры и впервые в 1831 г. 
применил микроскоп для исследования микроструктуры стали, положив 
этим начало науке о металлах – металловедению. 
Работы Аносова по изучению структуры литой стали были продолжены Александром Степановичем Лавровым и Николаем Вениаминовичем 
Калакуцким, которые исследовали структуру стальных слитков, производили химические анализы в разных его частых, изучили образование пустот, пузырей, усадочных раковин в слитках. 
Новым этапом развития науки о металлах – металловедении – явились открытия великого русского ученого Дмитрия Константиновича Чернова. В 1868 г. Д. К. Черновым были открыты критические точки стали Ас1, 
Ас3 и Ас4, которые определили основу технологии термической обработки. 
Громадное научное и практическое значение работы Д. К. Чернова заключается в том, что в ней было теоретически обосновано и экспериментально доказано, что решающее влияние на формирование структуры и свойств 
стали оказывает термическая обработка, а не ковка, как считалось раньше. 
Открытие критических точек стали Д. К. Черновым и периодического закона Д.И. Менделеевым в 1869 г. явилось основой современного металловедения. Периодический закон Д.И. Менделеева позволяет установить связь между строением атомов, кристаллической структурой и свойствами металлических сплавов, а также предвидеть и объяснить влияние 

5 

элементов на структуру и свойства металлических сплавов, способность их 
к образованию твердых растворов и химических соединений. 
Д. К. Чернов (1878 г.) установил приоритет русской науки по таким 
вопросам теории кристаллизации, как учение о центрах кристаллизации  
и законы роста кристаллов в больших объемах стали. Он исследовал знаменитый «кристалл Чернова» длиной 39 см и весом 3,45 кг, являющийся 
классическим примером процесса кристаллизации. 
В 1884 г. Д. К. Чернов первым обнаружил и описал линии скольжения на поверхности деформированной стали, называемые в настоящее 
время линиями Чернова-Людерса, заложив научные основы обработки металлов давлением.  
В 1885 г., приняв за основу работы П. П. Аносова по закалке в горячем сале, Д.К. Чернов осуществил закалку в сплаве свинца с оловом при 
температуре 200 °С, что послужило началом применения ступенчатой закалки стали, а в дальнейшем – исследования изотермического превращения аустенита. В 1875 г. ученый исследовал влияние микроструктуры 
рельсовой стали на ее стойкость. 
Большое значение имеют работы Д. К. Чернова по разгаростойкости 
орудийных стволов и технологии термической обработки бронебойных 
снарядов.  
Одним из основных разделов металловедения является учение  
о внутренних напряжениях. Большой вклад здесь принадлежит замечательныному русскому металловеду Николаю Вениаминовичу Калакуцкому.  
В 1887 г. в Петербурге вышел его знаменитый труд «Исследование внутренних напряжений в чугуне и стали», в котором утверждалось, что производство многих изделий было бы гораздо совершеннее, если бы учитывались внутренние напряжения. Н. И. Калакуцкий предложил метод определения внутренних напряжений в чугунных или стальных изделиях и впервые указал, что создание в деталях благоприятного распределения напряжений (сжимающие на поверхности изделий) значительно повышает их прочность и долговечность. Это широко применяется в настоящее время. Иллюстрацией может служить упрочнение наклепом дробью, накаткой роликами, 
холодной поверхностной пластической деформацией, закалка токами высокой частоты, создающая на поверхности изделий сжимающие напряжения. 
Дальнейшее развитие науки о металлах характеризуется резким 
скачком, значительным прогрессом металловедения одновременно по многим направлениям. Николай Семенович Курнаков создал школу металловедов, разработавших основы физико-химического анализа. Под его руководством были сформированы крупные хорошо оборудованные лаборатории, где разработан дифференциальный пирометр (пирометр Курнакова). 
Н. С. Курнаковым и его учениками были разработаны новые представления о природе твердых растворов и химических соединений, иссле
6 

дованы и разработаны сотни диаграмм состояния металлических сплавов, 
составляющие сокровищницу мировой науки. Выдающимся исследователем, работавшим над наиболее важными проблемами металловедения, был 
Александр Александрович Байков. Он впервые обнаружил кристаллическое строение аустенита путем травления хлором микрошлифов при высокой температуре. В 1900 г. при исследовании сплавов меди с сурьмой  
А. А. Байков показал, что процесс закалки применим не только к сталям, 
но и сплавам цветных металлов. 
В 1906 г. немецкий инженер А. Вильм на изобретенном им дюралюмине открыл старение – процесс, который стал основным, приводящим  
к упрочнению многих цветных сплавов. Старение сплавов, обнаруженное 
Вильмом, исследовалось П. Мерика, С. Т. Конобеевским, Ю. А. Багаряцким, М. И. Захаровой, Гинье, Престоном и др. Теория распада пересыщенных твердых растворов разработана С. Т. Конобеевским. 
Развитие металловедения как науки связано с именем Николая Анатольевича Минкевича. Им решались проблемы по созданию научных  
основ термической обработки специальных сталей и сплавов высокого качества для авиационной, автомобильной и других отраслей промышленности. Н. А. Минкевичем были внедрены в производство многие марки конструкционных и инструментальных сталей, проведены работы в области 
теории и технологии газовой цементации стали. 
Большой вклад в развитие металловедения и теории термической обработки стали был внесен уральской школой металловедов под руководством Сергея Самойловича Штейнберга.  
Этой школой разработаны теории изотермической закалки и изотермического отжига стали, разработан и обоснован способ многократного 
отпуска быстрорежущей стали, а также выявлено влияние различных легирующих элементов и величины зерна на свойства и структуру стали после 
термической обработки. 
Теория мартенситного превращения в стали и других сплавах изучалась и в современном виде разработана Г. В. Курдюмовым. 
Большой объем работ по металловедению цветных металлов и сплавов наряду с изучением сталей проведен школой А. М. Бочвара  
и А. А. Бочвара. Этой школой широко изучены многие сплавы цветных 
металлов, исследован процесс эвтектической кристаллизации, разработаны 
многие подшипниковые сплавы, усовершенствованы способы изготовления изделий из этих сплавов, разработаны методы борьбы с коррозией. 
Изучение медных сплавов проведено школой ленинградских металловедов М. П. Славинского. 
Новые методы комбинированной обработки, появившиеся в последнее время, потребовали современных металловедческих исследований. 
Изучение структуры сталей и сплавов цветных металлов при их термоме
7 

ханической, механико-термической, термомагнитной обработке проведены 
М. Л. Бернштейном. Влияние ультразвуковых колебаний на превращения  
в металлах и сплавах исследовано В. С. Ермаковым, Э. А. Альфтаном,  
К. М. Погодиной-Алексеевой, Г. И. Погодиным-Алексеевым, А. В. Кулеминым, В. С. Биронтом и др. 
Развитие науки в области неметаллических керамических и композиционных материалов основывается на самостоятельных научных направлениях, и также имеет богатую историю создания таких материалов. 
 
 
 
1.2. СИСТЕМА СОВРЕМЕННЫХ БАЗОВЫХ ПОНЯТИЙ  
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ 
 
 
Материя и материал. Главное базовое понятие материаловедения 
материал происходит от основного фундаментального понятия Вселенной 
(мира, или мироздания) – материя (которое на сегодня является уже  
не просто философским, а естественнонаучным понятием, так как ее формы и разновидности характеризуются и различаются такими измеряемыми 
фундаментальными величинами, как масса и энергия). 
Материя – объективно существующая реальность в виде различных форм и уровней организации объектов окружающего нас мира, характеризуемая массой и энергией, а также другими производными характеристиками (дискретностью и непрерывностью, пространственной размерностью, временными формами движения, типами связей элементов, образующих конкретную материальную форму, их структурой т. д.). 
Существуют две формы существования материи – поле и вещество. 
Поле – это форма существования материи, которая характеризуется, прежде всего, энергией, а не массой, хотя и обладает последней. Важнейшим его свойством является континуальность, т. е. непрерывность  
в пространстве, ввиду волновой природы. К разновидностям полей обычно 
относят электромагнитное, гравитационное и др. Шкала электромагнитных 
полей приведена на рис 1.1. 
 

 
 
Рис. 1.1. Шкала электромагнитных волн 

8 

Вещество – это форма существования материи, которая характеризуется, прежде всего, массой покоя, а не энергией, хотя и обладает последней. И, следовательно, она обладает дискретностью (прерывностью  
в пространстве), т. е. возможностью существования в виде индивидуальных частиц вещества (или материальных тел). 
Вещества на разных структурных уровнях их организации. В зависимости от элементного состава и типа связи элементов, составляющих 
вещество, различают следующие его разновидности: физические (элементарные и атомные), химические (молекулярные и немолекулярные), биологические и минеральные (геологические) вещества и материальные тела  
в целом. 
Вещество физическое – это индивидуальный уровень организации 
вещественной материи (вещество элементарное, атомное и т. д.) или физические соединения кварков, элементарных частиц и т. д. Их структуры определяются физическими типами взаимодействий (ядерные силы – сильное 
взаимодействие, электромагнитное, электростатическое – кулоновское, 
гравитационное и слабые взаимодействия). 
Вещество химическое – вещественный уровень организации материи в виде химического (гомо- или гетероядерного) соединения атомов 
молекулярного и немолекулярного типа, построенный из не менее двух 
атомных ядер (или атомных остовов), связанных обобществленными электронами (т. е. химической связью различного типа: преимущественно ковалентной, металлической или ионной). Для данной разновидности вещества элементами ее микроструктуры являются ядра или атомные остовы, 
связанные обобществленными электронами (ОЭ). 
Химическое соединение гомоядерное – химическое вещество, построенное из одинаковых ядер или атомных остовов (например, Н–Н). 
Химическое соединение гетероядерное – химическое вещество, построенное из разных ядер или атомных остовов (например, Н–О–Н). 
Атомный остов – ядро с частью электронной оболочки атома, не 
принимающей участия в образовании химической связи (необобществленные электроны в совокупности с ядром). 
Специфика структуры различных химических веществ (молекулярная 
и немолекулярная) и их свойств, в первую очередь, определяется свойствами преобладающего типа химической связи в них (ковалентной, металлической или ионной). Это, прежде всего, специфика локализации – делокализации ОЭ, направленность или ненаправленность связи, насыщаемость или 
ненасыщаемость, а далее длина и энергия связи и, как следствие, тип соответствующей структуры (молекулярная или немолекулярная и т. д.). 
Если в связи элементов преобладает ковалентность, то образуются 
химические соединения (химические вещества) молекулярного или прерывного (дальтонидного) типа (Н2О), а если преобладает металличность 

9 

или ионность, то образуются химические соединения (химические вещества) немолекулярного или «непрерывного» (бертоллидного) типа (Fe∞ или 
NaCI∞). 
Молекула – гомо- или гетероядерное индивидуальное ковалентное 
химическое соединение (со степенью ковалентности связи 50 % и более)  
в виде электронейтральной частицы с конечным конкретным числом элементов. В случае же немолекулярных металлических и ионных соединений 
при добавлении или убавлении в их кристаллической решетке одного или 
нескольких элементов или нескольких элементарных кристаллических 
ячеек структура и свойства этих соединений (веществ) не изменится. 
Макромолекула (высокомолекулярное соединение) – индивидуальное 
химическое соединение ядер или атомных остовов с химическими связями 
в количестве, достаточном для проявления комплекса физико-химических 
свойств (как для самого ВМС, так и для полимерной системы в целом), которое остается практически неизменным при добавлении или удалении одного или нескольких составных звеньев. 
Это связано, прежде всего, с тем, что n – степень полимеризации 
макромолекулы (число составных повторяющихся звеньев), например  
в полиэтилене связь [C-]n является достаточно большой. Условно считают, 
что n в макромолекуле больше 100, а в олигомолекуле менее 100. В отличие 
от макромолекулы у олигомолекулы комплекс специфических физикохимических свойств зависит от изменения степени полимеризации. 
К комплексу специфических свойств макромолекулы (гибкость)  
и полимерной системы (материала) в целом относят следующие противоположные металлам свойства. Способность к кристаллизации прежде всего 
на молекулярном (структурном) уровне и, как следствие, повышенная способность к образованию аморфных структур и низкая плотность, меньшая 
электро- (диэлектрики) и теплопроводность, способность к образованию 
прозрачных аморфных веществ (стекол), эластичность, высокоэластичность и т. д. 
Вещества неметаллические (неметаллы, неметаллические материалы) – это низко- (моно-), олиго- (средне-) и высоко (макро-) молекулярные гомо- и гетероядерные химические соединения (включая немолекулярные ионные вещества) и материалы на их основе типа кислорода, 
оксида водорода, масел, органических и неорганических полимерных материалов (совокупность индивидуальных олиго- и макромолекул, связанных межмолекулярным взаимодействием), керамических материалов (оксидных, карбидных, нитридных и т. д.). К ионным неметаллическим  
соединениям относят вещества с преимущественно ионной связью  
типа NaCl. 
Вещество химическое немолекулярное – химическое соединение 
бертоллидного (непрерывной структуры или переменного состава) типа  

10