Машиностроительные материалы нового поколения

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ 
МАТЕРИАЛЫ 
НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Г.М. ВОЛКОВ

Москва
ИНФРА-М
2020

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению подготовки 15.03.01 «Машиностроение»
(квалификация (степень) «бакалавр»)

УДК 621(075.8)
ББК 34.43я73
 
В67

Волков Г.М.
Машиностроительные материалы нового поколения : учебное пособие / Г.М. Волков. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 319 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — www.dx.doi.org/10.12737/textbook_
594bbe53df3e23.21289275.

ISBN 978-5-16-012892-4 (print)
ISBN 978-5-16-105525-0 (online)

В учебном пособии представлены теоретические основы и технологические приемы создания материалов конструкционного и функционального назначения с техническими характеристиками многократно выше 
существующего уровня. Приведены примеры реализации уникальных 
свойств материалов данного класса в машиностроительной продукции 
с потребительскими свойствами выше мирового уровня.
Соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.
Для разработчиков новой техники и студентов машиностроительного 
профиля.

Machine-building materials of the new generation : a manual / G.M. Volkov. — 
M. : INFRA-M, 2018. — 319 p.
The theoretical foundations and technological principles of creating constructional and functional materials with аbove-world-level properties are presented in 
a textbook. Examples how an unique properties of these materials are implementing in engineering products with above-world-level properties are given.
For developers of new equipment and students of engineering science.

УДК 621(075.8)
ББК 34.43я73

В67

А в т о р:
Георгий Михайлович Волков, доктор технических наук, профессор Мо сковского государственного политехнического университета

Р е ц е н з е н т ы:
Ж.В. Еремеева, доктор технических наук, профессор, заместитель заведующего кафедрой порошковой металлургии и функциональных покрытий 
Национального 
исследовательского 
технологического 
университета 
« МИСиС»;
Г.Х. Шарипзянова, кандидат технических наук, доцент, проректор 
по учебно-методической работе Московского автомобильно-дорожного 
государственного технического университета (МАДИ)

ISBN 978-5-16-012892-4 (print)
ISBN 978-5-16-105525-0 (online)
© Волков Г.М., 2018

Предисловие

Качество жизни человека во многом зависит от совершенства 
технических устройств различного назначения. Между тем сама 
возможность разработки конкурентоспособной техники требует 
определенных материаловедческих предпосылок. Дальнейшее развитие техники предъявляет к материалам повышенные требования, 
которым традиционные материалы во многих случаях не соответствуют, а потенциальные возможности традиционных производственных технологий для улучшения потребительских свойств выпускаемых материалов ограничены.
Анализ экспериментальных работ по модификации наиболее 
широко применяемых в машиностроении металлических материалов показывает, что традиционные способы повышения их технических характеристик путем эмпирического подбора легирующих элементов и использования термической, химико-термической, термомеханической и многих других способов обработки 
практически исчерпали себя. Возможный успех технологических 
проектов по многократному повышению прочности материала блокируется столь же резким снижением пластичности. Аналогичные 
проблемы с повышением уровня свойств конструкционных материалов отмечены и в других областях материаловедения.
Для преодоления данного технологического тупика обратимся 
к достижениям фундаментальных наук. Предлагаемое решение 
основано на реализации потенциальных возможностей нетрадиционных для отраслей массового машиностроения материалов нового 
поколения.
Автор надеется, что фактические сведения по заявленной теме 
исследования, субъективно отобранные им на основе личного 
опыта создания принципиально новых материалов из огромного 
массива публикаций в периодической печати и трудах научных 
конференций различного уровня, объективно представляют собой 
практический выход напряженного труда многих коллективов 
ученых в самых передовых областях новой техники.
Отметим, однако, что не все рассматриваемые в учебном пособии 
материалы вполне освоены, а их технология доведена до промышленной стадии производства. Многие из них не вышли из лабораторной стадии исследования, и нельзя ожидать их практического 
использования в течение нескольких ближайших лет. Возможно 

также, что некоторые из этих разработок не оправдают возлагаемых 
на них надежд.
Для лучшего усвоения и закрепления основных теоретических 
положений предлагаемых технологий и практического приложения 
их к созданию машиностроительных материалов нового поколения 
автор считает необходимым предварительное изучение студентами 
физико-химических основ производства традиционных материалов 
и способов оценки их технических характеристик. Данное положение нашло отражение в последовательности изложения представляемого учебного пособия.
Основой учебного пособия является дидактический материал, 
используемый автором в течение многих лет для проведения занятий в Университете машиностроения (ФГБОУ ВО «Московский 
государственный машиностроительный университет (МАМИ)»).
Успешное освоение учебного пособия предполагает удовлетворительное знание обучающимися основ естественно-научных дисциплин «Физика», «Химия» и общеинженерных дисциплин «Материаловедение», «Сопротивление материалов» и «Технология конструкционных материалов» на уровне бакалавриата.

Foreword

The quality of human living is depending a lot on how perfect are 
technical devices of different purposes. However the possibility of developing competitive equipment itself needs an understanding of material 
science. Further development of the equipment is increasing requirements for materials. Traditional materials do not feet these requirements 
in many cases. Potential capabilities for increasing of consumer properties are limited for traditional manufacturing technologies.
An analysis of experimental works on a modification of the most 
widely used in engineering materials, shows that traditional ways of increasing its technical specifications by an empirical selection of alloying 
elements and using thermal, chemical-thermal, thermo mechanical and 
many other ways of processing are almost exhausted. When strength is 
increasing many times, plasticity is decreasing simultaneously. The possible success of technology projects is blocked by that. Similar problems 
with properties of construction materials increasing are occurring in other 
areas of materials science.
The achievements of fundamental sciences were applied for overcome 
this deadlock. Proposed solution is based on a using of potential opportunities of far-out for mass engineering materials, materials of new generation.
Factual information on the study was subjectively selected by author’s 
own experience in creation of fundamentally new materials. That factual 
information was highlighted from a huge mass of publications in periodicals and works of scientific conferences at various levels.
Author believes that conclusions of given textbook are objectively representing a practical way of many research teams in the most advanced 
areas of new technology hard work.
However we have to mention that not all materials which are considered in a textbook are fully exploited and its technology is brought to the 
stage of industrial production. Many of them do not come out of the 
laboratory research stage and we can’t expect its practical implementation 
in next few years. It is also possible that some of those worked-out materials will not meet expectations.
Author believes that preliminary study of physical-chemical bases of 
production and methods of its technical specifications evaluation is obligatory for students for better mastering and consolidation of the major 

theoretical positions and its practical application for creation of engineering materials of new generation. It is successively reflected in a given 
textbook.
Didactic material which was used by author for lessons in the Moscow 
State Engineering University during many years, is a basis for a given 
textbook.

Глава 1
ТРАДИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1.1. РОЛЬ МАТЕРИАЛОВ В РАЗВИТИИ ТЕХНИКИ

Прогресс человечества неразрывно связан с развитием материалов. Именно материалы дали название целым эпохам: каменный 
век, бронзовый век, железный век.
На ранней стадии развития человечества использовались природные материалы — дерево, кость, камень. Особое место занял 
камень, из которого изготавливали орудия труда — каменные топоры, ножи. Следует отметить, что именно с помощью камня около 
500 тыс. лет назад люди стали добывать огонь. Появившаяся возможность обжига глины при изготовлении предметов домашней 
утвари породила керамическую технологию.
На следующем этапе развития в обиходе человека появились металлы. В первую очередь применялись те металлы, которые встречаются в природе в чистом, самородном виде. Прежде всего это 
медь: примитивные изделия из меди находят в раскопках, относящихся к VII тысячелетию до н.э. В IV тысячелетии до н.э. начали 
изготавливать инструменты из сплавов меди с другими металлами. 
Сплавы назвали бронзами. Бронза имеет лучшие свойства, чем 
медь: инструмент из бронзы прочнее медного инструмента.
Важнейшим этапом развития стало применение железа и его 
сплавов. Железо также было известно с глубокой древности. Сначала использовали наиболее доступное, хотя и довольно редкое метеоритное железо, а затем научились получать его из руд. Все более 
широкое применение железа и его сплавов открывает в конце второго тысячелетия до новой эры железный век. С начала промышленной революции в конце ХVIII в. по настоящее время сплавы 
железа с углеродом — сталь и чугун — являются основным конструкционным материалом для изготовления деталей машин и оборудования практически всех отраслей промышленного производства.
Основоположником металловедения как науки является выдающийся русский ученый металлург Д.К. Чернов. Он в 1868 г. ввел 
понятие о критических точках и показал их влияние на структуру 
и свойства стали. С этого момента металлурги и металловеды 
вместо набора эмпирических рецептов начали использовать научные методы управления свойствами металлических материалов.

Необходимые предпосылки для открытия критических точек создали работы русского инженера П.П. Аносова, который в 1831 г. 
впервые применил микроскоп для исследования структуры стали. 
Нам он больше известен своим открытием утерянного в веках секрета производства булатной стали, которая обладает уникальными 
свойствами. Булатным клинком можно рубить гвозди и сразу же 
после этого рассекать подброшенный в воздух шелковый платок. 
В то же время он гибок: булатной саблей можно подпоясаться.
Однако бурный рост промышленного производства требовал создания новых материалов с самыми различными свойствами. ХХ в. 
ознаменован созданием полимеров — принципиально новых материалов, свойства которых резко отличаются от свойств металлов. 
В настоящее время полимеры широко применяются в различных 
областях техники: машиностроении, химической и пищевой промышленности и во многих других отраслях промышленного производства.
Дальнейшее развитие техники невозможно без создания материалов, обладающих уникальными свойствами. Работоспособность 
конструкций атомной и термоядерной энергетики, а также ракетно-космической техники обеспечивают материалы, способные 
работать в экстремальных условиях эксплуатации. Широкое развитие информационных технологий в самых разных сферах деятельности тоже стало возможным только с появлением новых материалов с особыми электрофизическими свойствами.
Таким образом, материаловедение является одной из важнейших, приоритетных наук, определяющих технический прогресс 
человечества.
Все многообразие материалов, применяемых в современной технике, по химическому составу можно разделить на металлические, 
неметаллические и композиционные (КМ), которые могут сочетать 
в своем составе металлические и неметаллические химические элементы. Такая классификация отражает исторический путь реализации запросов техники в создании материалов с прогрессивным 
для своего времени уровнем потребительских свойств.

1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ

Материаловедение — наука, изучающая свойства материалов 
и устанавливающая связи между их составом, строением и свойствами, что обычно отображают аббревиатурой С-С-С или соответствующей схемой (рис. 1.1).

Состав
Структура

Свойства

Рис. 1.1. Тройная диаграмма алгоритма исследований 
в области материаловедения

Материалом называют твердое тело с известными нам свойствами и определяющими их составом и строением. В отличие 
от вещества материал на его основе обладает комплексом свойств 
в макрообъме, достаточном для их изучения и технического применения. В большинстве случаев практическое применение в технических устройствах находит именно материал, а не составляющее 
его вещество.
Свойства вещества практически полностью определяются двумя 
уровнями строения — атомарным и молекулярным, или кристаллическим (рис. 1.2).

Атомарный
Молекулярный 
или 
кристаллический

Надмолекулярный 
или 
надкристаллический
Дисперсный

Уровни структуры

Материал

Вещество

Химический 
элемент

Рис. 1.2. Классификация структуры материалов

Основными элементарными частицами, из которых состоят все 
известные нам вещества, являются протоны, нейтроны и электроны. 
Протоны и нейтроны составляют положительно заряженное ядро 

атома, заряд ядру придают протоны, а нейтроны электрически 
нейтральны. Вокруг ядра на определенных орбитах вращаются отрицательно заряженные электроны, образуя электронную оболочку атома. Средние размеры атомов составляют менее 1 нм 
(1 нм = 1  10−9 м).
Классификация химических элементов по строению ядра атомов 
и числу электронных оболочек ядра представлена в Периодической системе элементов, предложенной великим русским ученым 
Д.И. Менделеевым.
Атомарный уровень структуры характеризует свойства химического элемента. Мы отличаем, например, золото от серебра, в частности, по цвету. Менее уверенно можем отличить медь от золота, поскольку по цвету они похожи. Для разделения этих химических элементов следует воспользоваться другими методами анализа, например: 
определить их плотность (золото имеет плотность 19,3 г/см, а медь — 
8,9 г/см3) или исследовать их взаимодействие с азотной кислотой 
(медь с ней взаимодействует, а золото на нее не реагирует, хотя 
в смеси азотной и соляной кислот в соотношении 1 : 3 («царская 
водка») золото растворяется хорошо).
Атомы могут соединяться друг с другом, образуя молекулы или 
кристаллы. Молекулы вещества могут содержать различное число 
атомов. Например, гелий (He), аргон (Ar), неон (Ne) являются одноатомными газами; водород (H2), азот (N2), кислород (O2), оксид 
углерода, или угарный газ (CO), состоят из двухатомных молекул, 
а молекулы углекислого газа (CO2) и водяного пара (H2O) содержат 
три атома. Молекула аммиака (NH3) построена из четырех атомов, 
а молекула метана (CH4) содержит пять атомов.
Атомарная модель дает также представление о типе химической 
связи, которая характеризует взаимное сцепление атомов под действием электронных сил притяжения, и, как следствие, о характере 
строения вещества и его электронной структуре.

1.3. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

В зависимости от строения внешних электронных оболочек 
атомов могут образовываться различные виды связи между атомами. Все вещества по характеру межатомарной связи подразделяют на ионные, ковалентные, металлические и молекулярные. 
Однако такое разделение достаточно условно, так как во многих 
веществах может действовать не один, а несколько типов связи. 
Поэтому можно говорить только о преобладающем для данного вещества типе связи.