Материаловедение и технология материалов

Москва
ИНФРА-М
2020

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 
И ТЕХНОЛОГИЯ 
МАТЕРИАЛОВ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ 

Рекомендовано Научно-методическим советом
«Материаловедение и технология конструкционных материалов»
при Минобрнауки РФ в качестве учебного пособия
для подготовки бакалавров технических направлений

Под редакцией доктора технических наук А.И. Батышева 
и кандидата технических наук А.А. Смолькина

Материаловедение и технология материалов : учебное пособие / 
под ред. А.И. Батышева и А.А. Смолькина. — Москва : ИНФРА-М, 
2020. — 288 с. — (Высшее образование: Бакалавриат).

ISBN 978-5-16-004821-5 (print)
ISBN 978-5-16-102745-5 (online)
В учебном пособии приведены основные сведения о материаловедении 
и технологии конструкционных материалов.
Рассмотрены вопросы, относящиеся к строению металлов и сплавов, 
кристаллизации, диаграммам состояния различных систем, металлам, сплавам 
и материалам, используемым в машиностроении и некоторых других отраслях 
промышленности. Приведены сведения об основных способах производства 
металлов, сплавов и неметаллических материалов, а также об изготовлении 
из них заготовок и изделий.
Учебное пособие предназначено для студентов технических направлений 
вузов, изучающих комплекс дисциплин «Материаловедение. Технология 
конструкционных материалов».
 
УДК 669:621.7(075.8)
ББК 30.3я73

М34

УДК 669:621.7(075.8)
ББК 30.3я73
 
 
М34

© Коллектив авторов, 2012
ISBN 978-5-16-004821-5 (print)
ISBN 978-5-16-102745-5 (online)

Авторский коллектив:
Батышев А.И. (гл. 3, 5–7, 12); Смолькин А.А. (гл. 1, 2, 4, 10, 11, 17); 
Батышев К.А. (гл. 8, 13); Безпалько В.И. (гл. 15); Гольцова С.В. (гл. 14); 
Хорохорин Ф.П. (гл. 9, 16)

Рецензенты: 
Моисеев В.С., д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой 
«Технология литейного производства» Российского государственного 
технологического университета имени К.Э. Циолковского (МАТИ);
Белов Н.А., д-р техн. наук, профессор Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»

Подписано в печать 21.10.2019. Формат 6090/16. Бумага офсетная. 
Гарнитура Newton. Печать цифровая. Усл. печ. л. 18,0
ППТ20. Заказ № 00000

ТК 156250-1068798-250611

ООО «Научно-издательский  центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1.
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru    http://www.infra-m.ru

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

Предисловие

Учебное пособие написано в соответствии с государственными 

стандартами комплекса дисциплин «Материаловедение. Технология 
конструкционных материалов» и предназначено для студентов технических направлений. Совместно с другими общетехническими 
дисциплинами этот курс направлен на обеспечение подготовки будущих бакалавров, магистров и инженеров.

Учебное пособие предназначено для получения студентами знаний 

о строении, свойствах и областях применения металлов и металлических сплавов, включая пористые, о композиционных материалах 
с металлической и неметаллической матрицами, о наноматериалах. 
Кроме того, оно имеет цель — ознакомить студентов с современными 
методами производства и основами технологии обработки конструкционных материалов литьем, давлением, сваркой и механической 
обработкой, позволяющими получить заготовки и детали высокого 
качества.

Авторы стремились изложить материал кратко, давая основное 

представление о материалах и технологических процессах, используемых в металлургии и машиностроении.

Глава 1.
строение 
и кристаллизация металлов

1.1. 
общие сведения о конструкционных материалах

Разнообразие свойств материалов является главным фактором, 

предопределяющим их широкое использование в технике.

Материалы обладают отличающимися друг от друга свойствами, 

причем каждое из них зависит от особенностей внутреннего строения материала. В связи с этим материаловедение как наука занимается изучением строения материалов в тесной связи с их свойствами. 
Основные свойства материалов можно подразделить на физические, 
химические, механические, технологические и специальные. От физических, химических и механических свойств зависят технологические и специальные свойства материалов.

К физическим свойствам относятся магнитные свойства, электро- 

и теплопроводность, плотность, теплоемкость, температура плавления и др.

Химические свойства характеризуют специфику межатомного 

взаимодействия материала с другими веществами, в том числе 
с окружающей средой, например коррозию.

К механическим свойствам относятся прочность, твердость, плас
тичность, вязкость. Следует отметить, что прочность занимает особое 
место, так как от нее зависит работоспособность и неразрушаемость 
изделий под действием эксплуатационных нагрузок. Учение о прочности и разрушении материалов является важнейшей частью материаловедения, поэтому оно представляет для специалистов машиностроения большой интерес не только с точки зрения обеспечения 
прочности, надежности и долговечности изделий. Оно имеет и очень 
важное технологическое значение. Это объясняется тем, что основные связанные с послойным удалением материала, формообразующие и многие упрочняющие операции обработки деталей представляют собой дозированное, технологически управляемое разрушение 
материала, осуществляемое по определенному режиму. Особенно это 
касается современных высоких технологий, основанных на применении в качестве инструмента концентрированных потоков энергии, 
создаваемых лазерным излучением, сфокусированными потоками 
электронов, а также плазменными потоками.

К технологическим свойствам относятся литейные свойства, спо
собность деформироваться (ковкость), свариваемость, обрабатываемость режущим инструментом, а к специальным — жаропрочность, 
жаростойкость, сопротивление коррозии, износостойкость и др.

С древнейших времен в качестве конструкционных материалов 

используются как металлические, так и неметаллические материалы. 
Несмотря на успехи, достигнутые в создании неметаллических материалов, все же основными материалами, используемыми в машиностроении, являются металлы и сплавы на их основе. В связи с этим 
первоначально сложилось металловедение как самостоятельная часть 
материаловедения.

Металловедением называется наука, устанавливающая связь меж
ду составом, структурой и свойствами металлов и сплавов и изучающая закономерности их изменения при тепловых, химических, 
механических, электромагнитных и радиоактивных воздействиях.

Среди ученых, внесших большой вклад в развитие металловеде
ния, следует отметить П.П. Аносова (1797–1851), который обратил 
внимание на то, что качество стали зависит не только от ее химического состава, но и от структуры. Он впервые в мировой практике 
применил для исследования травленой поверхности стали микроскоп. Таким образом, он положил начало макро- и микроскопическим исследованиям металлов и сплавов — наиболее распространенным методам исследования структуры металлических материалов 
и в настоящее время.

Основоположником металловедения является и знаменитый рус
ский ученый Д.К. Чернов (1839–1921). В 1868 г. им было сделано 
замечательное открытие. Он установил, что при нагреве твердой стали до определенных температур, зависящих от ее состава, в ней происходят внутренние превращения, приводящие к изменению 
свойств. Таким образом, была показана связь между составом, строением и свойствами стали.

Открытие Д.К. Чернова получило всемирное признание. Пред
ставления Д.К. Чернова о температурах, при которых совершаются 
внутренние превращения, так называемых критических точках, легли в основу современного учения о термической обработке — самого распространенного способа изменения свойств металлических 
сплавов. Большую известность получили работы Д.К. Чернова по 
изучению кристаллизации металлов и строению слитка, которые 
определили основные положения современной теории литья металлов и сплавов.

Становлению металловедения в XIX в. способствовали работы 

многих зарубежных ученых: Ф. Осмонда и А. Портевена (Франция), 
Г. Таммана (Германия), Р. Аустена (Англия), Г. Хоу (США) и др.

Большой вклад в развитие различных научных направлений в ме
талловедении, в разработку новых методов исследования металлов 
и сплавов внесли работы академика Н.С. Курнакова и его школы, 
которые привели к установлению зависимости свойств сплавов от их 
состава. Разработка теории термической обработки стали связана 

с именами отечественных ученых — профессоров С.С. Штейнберга 
(1872–1940), Н.А. Минкевича (1883–1942) и их учеников. Большой 
вклад в развитие теории фазовых превращений внесли крупные советские ученые Н.Т. Гудцов, С.Т. Конобеевский, А.А. Байков, 
Г.В. Курдюмов и др.

На современном этапе для быстроходных машин и высокопроиз
водительного оборудования требуются металлические материалы все 
более высокого качества, обеспечивающие надежную и долговечную 
работу изделий. Вопросы повышения качества металлопродукции, 
совершенствования технологии ее обработки, внедрения новых способов упрочнения, создания новых материалов для новой техники, 
рационального выбора металлических изделий и многие другие решаются на основе знания основных положений металловедения.

1.2. 
структурные методы исследования металлов и сплавов

Все металлы и металлические сплавы — тела кристаллические, 

атомы (ионы) расположены в них закономерно в отличие от аморфных тел, в которых атомы расположены хаотично. Металлы (если их 
получают обычным способом) представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких (10–1…10–5 см), 
различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов. 
В процессе кристаллизации они приобретают неправильную форму 
и называются кристаллами, или зернами. Под термином «чистый 
металл» будем принимать металл чистотой 99,99…99,999%. Во всех 
остальных случаях подразумевается технически чистый металл с малым количеством примесей (99,5…99,9%), получаемый обычным 
заводским способом.

Чистые металлы в обычном структурном состоянии обладают 

низкой прочностью и не обеспечивают во многих случаях требуемых 
свойств, поэтому применяются сравнительно редко. Наиболее широко используются сплавы. Сплавы получают сплавлением или спеканием порошков двух или более металлов или металлов с неметаллами. Они обладают характерными свойствами, присущими металлическому состоянию. Химические элементы, образующие сплав, 
называют компонентами. Сплав может состоять из двух или большего числа компонентов.

В металловедении широко используются понятия «фаза», «систе
ма», «структура». Фазой называют однородные (гомогенные) составные части системы, имеющие одинаковый состав, кристаллическое 
строение и свойства, одно и то же агрегатное состояние и отделенные 
от составных частей поверхностями раздела. Системой называют совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия. Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположе

ния соответствующих фаз в металлах и сплавах. Структурными составляющими сплава называют обособленные части сплава, 
имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями. Микроструктура показывает размер и форму зерен, 
взаимное расположение фаз, их форму и размеры. Различают макроструктуру (строение металла или сплава с увеличением в 30–
40 раз) и микроструктуру (строение металла или сплава, наблюдаемое с помощью микроскопа при больших увеличениях).

Макроструктуру исследуют на специальных макрошлифах (тем
плетах). Для приготовления макрошлифа образцы вырезают без нагрева из заготовок (слитков, отливок, поковок, проката и т.д.) или 
изделий, поверхность которых шлифуют, полируют, а затем подвергают травлению специальными реактивами (чаще всего — растворами кислот).

Микроструктуру металлов наблюдают с помощью микроскопа — 

оптического или электронного. Разрешающая способность оптического микроскопа, т.е. минимальная величина объекта (детали структуры), которая различима с его помощью, не превышает 0,2 мкм 
(200 нм). Полезное увеличение в оптическом микроскопе достигает 
~2000 раз. Применение больших увеличений бесполезно, так как 
новые, более мелкие детали структуры не становятся видимыми, 
уменьшается только масштаб изображения, поскольку разрешающая 
способность, определяемая волновой природой света, не меняется.

Разрешающая способность электронных микроскопов значитель
но выше оптических. Использование электронных лучей, обладающих очень малой длиной волны ((0,4…0,12)  10–1 нм), дает возможность различать детали изучаемого объекта размером до 0,2…0,5 нм. 
Наибольшее распространение нашли просвечивающие электронные 
микроскопы, в которых поток электронов проходит через изучаемый 
объект, представляющий собой тонкую фольгу.

В растровых электронных микроскопах изображение создается 

благодаря вторичной эмиссии электронов, излучаемых поверхностью, но она имеет меньшую разрешающую способность 
(25…30 нм). Для изучения атомно-кристаллического строения применяют рентгеноструктурный анализ.

При исследовании макрошлифа можно обнаружить форму и рас
положение зерен в литом металле; волокна (деформированные кристаллиты) в прокате, поковках свободной ковки и штампованных 
поковках; дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочную 
пористость, газовые и усадочные раковины, трещины и т.д.); химическую неоднородность сплава (ликвацию), вызванную процессом 
кристаллизации, созданную термической или химико-термической 
(цементация, азотирование и т.д.) обработкой.

1.3. 
атомно-кристаллическая структура металлов

Под атомно-кристаллической структурой металлов понимают вза
имное расположение атомов (ионов), существующее в реальном 
кристалле.

В твердом состоянии металл представляет собой постройку, со
стоящую из положительно заряженных ионов, омываемых «газом» 
из свободных коллективизированных электронов. Связь в металле 
осуществляется электростатическими силами. Между ионами и коллективизированными электронами проводимости возникают электростатические силы притяжения, которые стягивают их, компенсируя силы отталкивания. Такая связь называется металлической.

Связи в металлах определяются силами отталкивания и силами 

притяжения между ионами и электронами. Большинство металлов 
образует одну из следующих высокосимметричных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемноцентрированную, кубическую гранецентрированную и гексагональную (рис. 1).

Объемноцентрированная кубическая решетка (ОЦК) содержит во
семь атомов, расположенных в вершинах куба и один атом в центре 
объема куба (рис. 1а). Такую решетку имеют металлы Fe (модификация a), V, W, Та и др.

В гранецентрированной кубической решетке (ГЦК) атомы распо
ложены в вершинах куба и в центре каждой грани (рис. 1б). Решетку такого типа имеют металлы: Fe (модификация g), Cu, Co, Ni 
и др.

В гексагональной плотноупакованной решетке (ГПУ) атомы распо
ложены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, 
а три атома — в средней плоскости призмы (рис. 1в). Такую упаковку атомов имеют металлы: Mg, Ti и др.

Рис. 1. Кристаллические решетки металлов: 

а — объемноцентрированная кубическая (ОЦК); б — гранецентрированная кубическая 

(ГЦК); в — гексагональная плотноупакованная (ГПУ)

Расстояния а и с между центрами ближайших атомов в элемен
тарной ячейке называются периодами решетки. Период решетки вы

ражается в нанометрах (1 нм = 10–9 м). Периоды решетки для большинства металлов находятся в пределах 0,1…0,7 нм.

Половину наименьшего расстояния между атомами в их кристал
лической решетке называют атомным радиусом. Из рис. 1 видно, что 
плотность расположения атомов по различным плоскостям и направлениям неодинакова; это приводит к неоднородности свойств 
(физических, химических и механических) монокристалла. Подобная неоднородность свойств монокристалла в разных кристаллографических направлениях называется анизотропией. Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из большого числа 
анизотропных кристаллов, расположенных неупорядоченно по отношению друг к другу, и поликристаллическое тело является псевдоизотропным.

Кристаллические решетки могут иметь различные структурные 

несовершенства, существенно изменяющие свойства материала. 
К ним, например, относятся дефекты внутреннего строения: точечные, линейные и плоскостные (рис. 2).

Рис. 2. Дефекты кристаллической решетки: 

а — точечные; б — линейные; в — плоскостные

К точечным дефектам относятся: вакансии, при которых отдель
ные узлы решетки не заняты атомами; дислоцированные атомы (если 
отдельные атомы оказываются между узлами решетки) и примесные 
атомы, количество которых даже в чистых металлах весьма велико. 
Около таких дефектов решетка будет упруго искаженной на расстоянии нескольких периодов (рис. 2а). Линейные дефекты малы в двух 
измерениях и достаточно велики в третьем. К таким дефектам относятся: смещение атомных плоскостей (дислокации) и цепочки вакансий (рис. 2б). Двухмерные (плоскостные) дефекты характерны для 
поликристаллических материалов, в которых кристаллы различно 

ориентированы в пространстве. Границы между ними обычно представляют собой скопление дислокаций (рис. 2в).

Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные 

размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух ориентированных участков кристаллической решетки. Ими могут быть 
границы зерен, субзерен и фрагментов внутри зерна, границы блоков 
внутри фрагментов.

Помимо перечисленных дефектов, в металле имеются макроде
фекты объемного характера: усадочные и газовые поры, неметаллические включения, микротрещины и т.д. Эти дефекты снижают механические свойства металла.

Количество дефектов

Рис. 3. Влияние количества дефектов кристаллической решетки на прочность металла: 

1 — чистые металлы; 2 — упрочненные металлы и сплавы

Влияние количества дефектов кристаллической решетки на проч
ность металлов приведено на рис. 3. Левая ветвь кривой соответствует созданию совершенных бездислокационных нитевидных 
кристаллов (так называемых усов), прочность которых близка к теоретической. Правая ветвь отражает реальную прочность металлов 
и сплавов.

1.4. 
кристаллизация металлов

Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристалличес
кое) называется кристаллизацией. Последняя может быть первичной
(переход из жидкого состояния в твердое) и вторичной (изменение 
кристаллического строения металла в твердом состоянии).

На рис. 4 показана кривая охлаждения чистого металла до ком
натной температуры при медленном отводе теплоты (малая скорость