Основы металловедения и сварки

ОСНОВЫ
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ 
И СВАРКИ

М.Д. Мосесов

Рекомендовано в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по специальностям
08.06.01 «Техника и технология строительства»,
08.04.01 «Строительство»
и 05.23.01 «Строительные конструкции, здания и сооружения»

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Москва                                        2020

ИНФРА-М

УДК  669(075.8)
ББК 34.2я73
 
М81

Мосесов М.Д.
М81  
Основы металловедения и сварки : учебное пособие / М.Д. Мосесов. — Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2020. — 128 с. — (Высшее образование: Бакалавриат).

ISBN 978-5-00091-624-7 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-014378-1 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104060-7 (ИНФРА-М, online)

В учебном пособии рассматриваются свойства металлов, применяемых 
в строительстве, способы их получения и обработки. Изложенный материал соответствует программам курсов «Технология конструкционных материалов», «Металловедение и сварка» (бакалавриат).
Сведения, приведенные в пособии, ориентированы на помощь студентам в освоении лекционного материала, проведении лабораторных работ 
и выполнении дипломных проектов.
Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям 08.06.01 «Техника и технология 
строительства», 08.04.01 «Строительство» и 05.23.01 «Строительные конструкции, здания и сооружения», будет полезно слушателям курсов повышения квалификации и переподготовки кадров строительных специальностей.

УДК 669(075.8) 
ББК 34.2я73

Р е ц е н з е н т ы:
Холопов И.С. — доктор технических наук, профессор, советник 
Российской академии архитектуры и строительных наук, заведующий 
кафедрой металлических и деревянных конструкций Самарского государственного архитектурно-строительного университета; 
Юрченко Ю.И. — кандидат технических наук, главный инженер инженерной компании «ПАРЕКС»

ISBN 978-5-00091-624-7 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-014378-1 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104060-7 (ИНФРА-М, online)
© Мосесов М.Д., 2016
© ФОРУМ, 2016

Предисловие

Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по специальностям 08.06.01 «Техника и технология строительства», 08.04.01 «Строительство» и 05.23.01 «Строительные конструкции, здания и сооружения». Изложенный материал
соответствует программе курса «Технология конструкционных материалов».
Необходимость написания такого пособия продиктована, вопервых, сложностью, спецификой и большим объемом материала, излагаемого в специальной литературе, и, вовторых, отсутствием учебной литературы, в которой в доступной форме была бы изложена
сущность предмета в объеме, предусмотренном программой.
В учебном пособии рассматриваются вопросы получения металлов, их свойства и особенности, способы получения материалов с заданными характеристиками, выбор материалов, обеспечивающих
достаточную надежность и долговечность сооружений в соответствии
с условиями эксплуатации.
Автор выражает глубокую благодарность рецензентам И.С. Холопову и Ю.И. Юрченко за ценные замечания, высказанные при рецензировании рукописи.

Глава 1
МЕТАЛЛЫ

1.1. Основы металловедения

1.1.1. Строение металлов

Под металлами понимают вещества, обладающие комплексом
металлических свойств: характерным металлическим блеском, высокой электропроводностью, хорошей теплопроводностью, высокой
пластичностью.
Все вещества в твердом состоянии могут иметь кристаллическое
или аморфное строение. В аморфном веществе атомы расположены
хаотично, а в кристаллическом — в строго определенном порядке.
Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение.
Для описания кристаллической структуры металлов пользуются
понятием кристаллической решетки. Кристаллическая решетка —
это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой расположены атомы. Наименьшая часть кристаллической решетки, определяющая структуру металла, называется элементарной кристаллической ячейкой.

Рис. 1.1. Кристаллические решетки:
а — ОЦК; б — ГЦК

На рис. 1.1 изображены элементарные ячейки для наиболее распространенных кристаллических решеток. В кубической объемноцентрированной решетке — ОЦК (рис. 1.1, а) атомы расположены
в узлах ячейки и один атом — в центре куба. Такую решетку имеют
хром, вольфрам, молибден и другие металлы. На рис. 1.1, б показана
гранецентрическая решетка — ГЦК. В ней атомы расположены в узлах ячейки, а также в центре каждой грани. Такую решетку имеют
медь, никель и другие металлы.

1.1.2. Кристаллизация металлов

Процесс образования в металлах кристаллической решетки называется кристаллизацией. Для изучения процесса кристаллизации
строят кривые охлаждения металлов, которые показывают изменение
температуры во времени.
На рис. 1.2 приведены кривые охлаждения аморфного и кристаллического веществ. Затвердевание аморфного вещества (рис. 1.2, а)
происходит постепенно, без резко выраженной границы между жидким и твердым состоянием. На кривой охлаждения кристаллического
вещества (рис. 1.2, б) имеется горизонтальный участок с температурой tкр, называемой температурой кристаллизации. Наличие этого
участка говорит о том, что процесс сопровождается выделением
скрытой теплоты кристаллизации. Длина горизонтального участка —
это время кристаллизации.
Кристаллизация металла происходит постепенно. Она объединяет два процесса, протекающих одновременно: возникновение цен1.1. Основы металловедения
5

Рис. 1.2. Кривые охлаждения аморфной и кристаллической структур

тров кристаллизации и рост кристаллов. В процессе кристаллизации,
когда растущий кристалл окружен жидкостью, он имеет правильную
геометрическую форму. При столкновении растущих кристаллов их
правильная форма нарушается (рис. 1.3).
После окончания кристаллизации образуются кристаллы неправильной формы, которые называются зернами или кристаллитами.
Внутри каждого зерна имеется определенная ориентация кристаллической решетки, отличающаяся от ориентации решеток соседних
зерен.
Некоторые металлы в зависимости от температуры могут существовать в различных кристаллических формах. Это явление называется
полиморфизмом или аллотропией, а различные кристаллические
формы одного вещества называются полиморфными модификациями. Процесс перехода от одной кристаллической формы к другой называется полиморфным превращением. Полиморфные превращения
протекают при определенной температуре.
Полиморфные модификации обозначают строчными греческими
буквами α, β, γ, δ и т. д., причем α соответствует модификации, существующей при наиболее низкой температуре. Полиморфизм характерен для железа, олова, кобальта, марганца, титана и некоторых других металлов.
Важное значение имеет полиморфизм железа. На рис. 1.4 изображена кривая охлаждения железа. Полиморфные превращения характеризуются горизонтальными участками на кривой охлаждения,
так как при них происходит полная перекристаллизация металла.

6
Глава 1. Металлы

Рис. 1.3. Схема процесса кристаллизации металла

До значения температуры 911 °С устойчиво Feα, имеющее кубическую объемноцентрированную решетку. В температурном интервале
911—1392 °С вновь устойчиво Feγ с кубической гранецентрированной кристаллической решеткой. При температурах 1392—1539 °С
вновь устойчиво Feα. Часто высокотемпературную модификацию Feα
обозначают Feδ. Остановка на кривой охлаждения при 768 °С связана не с полиморфным превращением, а с изменением магнитных
свойств. До 768 °С железо магнитно, а выше — немагнитно.

1.1.3. Дефекты кристаллического строения

Реальный металлический кристалл всегда имеет дефекты кристаллического строения. Они подразделяются на точечные, линейные
и поверхностные.
Точечные дефекты малы во всех трех измерениях. К точечным дефектам относятся вакансии, представляющие собой узлы кристаллической решетки, в которых отсутствуют атомы (рис. 1.5, а), а также замещенные атомы примеси (рис. 1.5, б) и внедренные атомы (рис. 1.5, в),
которые могут быть как примесными, так и атомами основного металла. Точечные дефекты вызывают местные искажения кристаллической решетки, которые затухают достаточно быстро по мере удаления

1.1. Основы металловедения
7

Рис. 1.4. Кривая охлаждения железа

от дефекта. Поверхностные дефекты малы только в одном измерении.
К ним относятся, например, границы между отдельными зернами или
группами зерен.

Линейные дефекты
Линейные несовершенства имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Этими несовершенствами могут быть ряд вакансий или ряд межузельных атомов.
Особыми и важнейшими видами линейных несовершенств являются
дислокации краевые и винтовые.
Краевая дислокация (рис. 1.6) представляет собой локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное наличием в ней
«лишней» атомной полуплоскости или экстраплоскости.
Наиболее простой и наглядный способ образования дислокаций в
кристалле — сдвиг (рис. 1.6, а). Если верхнюю часть кристалла сдвинуть относительно нижней на одно межатомное расстояние, причем
зафиксировать положение, когда сдвиг охватит не всю плоскость

8
Глава 1. Металлы

Рис. 1.5. Схемы точечных дефектов в кристаллах

Рис. 1.6. Краевые дислокации

скольжения, а только часть ее, то граница между участком, где скольжение уже произошло, и участком в плоскости скольжения, в котором скольжение еще не произошло, и будет дислокацией.
Край экстраплоскости по линии сдвига представляет собой линию краевой дислокации, которая простирается вдоль плоскости
скольжения (перпендикулярно к вектору сдвига) через всю толщу
кристалла. В поперечном сечении, где имеет место существенное нарушение в периодичности и расположении атомов, размеры дефекта
малы и не превышают (3×5)а (а — период решетки).
Дислокационные линии не обрываются внутри кристалла, они
выходят на его поверхность, заканчиваются на других дислокациях
или образуют замкнутые дислокационные петли.
Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то
дислокацию называют положительной и обозначают (рис. 1.7, а),
а если в нижней — то отрицательной и обозначают (рис. 1.7, б).

Различие между положительной и отрицательной дислокациями
чисто условное. Переворачивая кристалл, мы превращаем отрицательную дислокацию в положительную. Знак дислокации важен при
анализе взаимодействия дислокаций.
Дислокации при приложении небольшого касательного напряжения легко перемещаются. В этом случае экстраплоскость посредством
незначительного смещения перейдет в полную плоскость кристалла, а
функции экстраплоскости будут переданы соседней плоскости. Дислокации одинакового знака отталкиваются (рис. 1.7, а), а разного знака взаимно притягиваются (рис. 1.7, б). Сближение дислокаций разного знака приводит к их взаимному уничтожению (аннигиляции).
Кроме краевых дислокаций, различают также винтовые дислокации. На рис. 1.8, а показана пространственная модель винтовой дис1.1. Основы металловедения
9

Рис. 1.7. Схема взаимодействия дислокаций

локаций — это прямая линия ЕF (рис. 1.8, б), вокруг которой атомные
плоскости изогнуты по винтовой поверхности. Обойдя верхнюю
атомную плоскость по часовой стрелке, приходим к краю второй
атомной плоскости и так далее. В этом случае кристалл можно представить как состоящий из одной атомной плоскости, закрученной в
виде винтовой поверхности (рис. 1.8, б). Винтовая дислокация, так же
как и краевая, образована неполным сдвигом кристалла по плоскости Q. В отличие от краевой дислокации, винтовая дислокация параллельна вектору сдвига.
Если винтовая дислокация образована движением по часовой
стрелке, ее называют правой, а образованную против часовой стрелки — левой. Вокруг дислокаций на протяжении нескольких межатомных расстояний возникают искажения решетки. Энергия искажения
кристаллической решетки является одной из важнейших характеристик дислокации любого типа. Критерием этого искажения служит
вектор Бюргерса.
Чтобы оценить степень искаженности решетки, вызванной дислокацией, следует сравнить несовершенный кристалл, содержащий дислокацию, с совершенным кристаллом. Для этого строят контур Бюргерса, представляющий собой замкнутый контур произвольной формы,
условно выделенный в реальном кристалле путем последовательного
обхода дефекта от атома к атому в совершенной области кристалла.
Для определения вектора Бюргерса краевой дислокации (рис. 1.9)
выберем вокруг дислокации контур ABCDE. Проведем контур, откла10
Глава 1. Металлы

Рис. 1.8. Винтовая дислокация:
а — неполный сдвиг по плоскости Q; б — расположение атомов в плоскости
дислокации