Основы современного материаловедения

ОСНОВЫ
СОВРЕМЕННОГО
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

О.С. СИРОТКИН

Москва
ИНФРА-М
2020

УЧЕБНИК

Рекомендовано 
Межрегиональным учебно-методическим советом 
профессионального образования в качестве учебника 
для учебных заведений, реализующих программу 
среднего профессионального образования 
по техническим специальностям 
(протокол № 17 от 11.11.2019)

УДК 620.1(075.32)
ББК 30.3я723
 
С40

Сироткин О.С.
С40  
Основы современного материаловедения : учебник / О.С. Сироткин. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 364 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс]. — (Среднее профессиональное образование).

ISBN 978-5-16-014909-7 (print)
ISBN 978-5-16-107407-7 (online)
Приведены данные о современных тенденциях расширения и изменения номенклатуры практически используемых материалов. Изложены современные 
концептуальные и теоретические положения материаловедения как самостоятельной естественной и технической дисциплины с опорой на четыре базисные 
научные инновации. Единство природы металлических и неметаллических полимерных материалов и специфика их отличий в структуре и свойствах наиболее точно раскрываются через универсальную систему базисных понятий, многоуровневую классификацию их структур, единую модель электронно-ядерной 
микроструктуры химической связи и систему химических связей и соединений 
(СХСС). Рассматриваются практические основы универсальной методологии 
прогнозирования структуры, свойств и технологий современных металлических, неметаллических и смешанных типов материалов (металлы, полимеры, 
керамика, интерметаллиды, полупроводники и т.д.).
Для студентов, обучающихся в области техники и технологии (включая направления по электро- и теплоэнергетике), получающих знания по материаловедению, в том числе в рамках дисциплины «Материаловедение. Технология 
конструкционных материалов», а также для аспирантов, научных работников 
и преподавателей, специализирующихся в данном научном направлении.

УДК 620.1(075.32)
ББК 30.3я723

Р е ц е н з е н т ы:
Фетисов Г.П., профессор, заведующий кафедрой технологии конструкционных материалов Московского авиационного института (ТУ), председатель Научно-методического совета по материа ловедению и технологии 
конструкционных материалов Министерства образования и науки Российской Федерации;
Дебердеев Р.Я., доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии переработки полимеров и композиционных материалов Казанского национального исследовательского технологического 
университета (КНИТУ)

ISBN 978-5-16-014909-7 (print)
ISBN 978-5-16-107407-7 (online)

Материалы, отмеченные знаком 
, 
доступны в электронно-библиотечной системе Znanium.com

© Сироткин О.С., 2020

ПРЕДИСЛОВИЕ

Материаловедение, как и любая естественная наука, и учебная 
дисциплина, непрерывно развивается, что требует постоянного совершенствования содержания соответствующих учебных пособий и 
учебников.
Традиционно металлы рассматриваются в этой учебной дисциплине как основной важнейший тип материалов, что, несомненно, 
имеет соответствующую историческую и практическую опору, а эта 
дисциплина вначале часто именовалась металловедением. Однако 
требования к набору необходимых сегодня свойств, предъявляемых 
современной промышленностью к материалам, постоянно растут. 
Причем по ряду этих физико-химических свойств металлы уже практически достигли своего потолка, а некоторых невозможно достичь 
в принципе (например, высокоэластичность, соответствующая жаростойкость, способность материала к длительной эксплуатации при 
воздействии механических нагрузок и температур выше 1500 °С 
и т.д.). Поэтому, когда в 1909 г. С.В. Лебедев синтезировал из бутадиена полимер (аналог натурального каучука), а затем Л. Бакеланд на 
основе фенола и формальдегида получил синтетиче ский материал — 
пластмассу (бакелит), материаловедение в качестве дополнительного 
объекта исследования и практического применения получило новый 
тип материала — полимер. Это дало возможность научной общественности заговорить о конце монополии «железного века» и его 
переходе в век полимерных материалов (полимерное материаловедение). В начале XXI в. мировое производство органических полимерных материалов достигло 200 млн т в год. При этом понятно, что, 
ввиду низкой плотности (удельного веса) органических полимерных 
материалов по сравнению с металлами, практическое применение 
первых по объему становится соизмеримым с последними. Особенно 
если дополнительно учесть материалы на основе элементоорганических и неорганических (или безуглеродных) полимеров, построенных на основе оксидов (т.е. полинеорганоэлементооксановых молекул со связями Э–О, где Э — Si, Al, Р и т.д. в основной цепи), 
нитридов (Э–N), полифосфазеновых (P–N) и других неорганических макромолекул. Их производство в конце XX в. приблизительно 
в 100 раз превышало производство органических (углеродных) полимерных материалов. При этом динамика роста производства органических (углеродных) полимерных материалов характеризуется 
тем, что практически каждое десятилетие в течение последних 30 лет 
имеет место удвоение объема их выпуска. Полимеры завоевывают 
все новые области практического использования, включая машиностроение (например, в современных автомобилях их доля уже достигает 40–50%).

При этом необходимо отметить, что к концу XX в. в материаловедении отмечается качественно новый взгляд на структуру (переход 
от оценки природы многих оксидов с ионной к ковалентно-молекулярной), свойства и технологию древнейшего материала — керамики. Поэтому, по мнению академиков РАН В.А. Легасова, 
Ю.Д. Третьякова и других ученых, сейчас наступает эра не только 
полимерных, но и керамических материалов. Основанием для подобного утверждения служат данные, свидетельствующие о том, что 
при сегодняшнем мировом производстве стали порядка 1 млрд т в 
год запасы железных руд истощаются все быстрее. Керамика же 
имеет практически неисчерпаемую сырьевую базу (литосфера Земли) 
для получения различных видов разновидностей материалов на ее 
основе. Учитывая же уникальность ее свойств (от жаро- и износостойких до сверхтвердых и эластичных, электро- и сверхпроводящих), меньшую энергоемкость, относительную экологичность ее 
производства, а также широту областей и отраслей применения 
трудно не согласиться с выводом о перспективности развития современного керамического материаловедения.
Думается, что наиболее разумной позицией по поводу продолжающихся попыток провозглашения того или иного из перечисленных 
материалов в качестве главного в настоящий исторический период 
следует считать признание их равной значимости сегодня в материаловедении в целом. Это утверждение сегодня имеет серьезную 
опору, так как каждый из них (металл, полимер, керамика и т.д.) характеризуется определенными свойствами, которые могут рассматриваться и как преимущество и как недостаток — в зависимости от 
условий эксплуатации изделия или конструкции на практике. Поэтому каждый из них имеет традиционные области применения (занимая соответствующие материаловедческие «ниши»). При этом 
особое значение приобретает развитие искусства конструирования 
структуры материалов с учетом ее многоуровневой организации, так 
как создание принципиально новых материалов с комплексом необходимых сегодня свойств при сохранении элементного состава и 
технологий их производства возможно лишь при управлении строением не только макро- и мезоуровней, а прежде всего нано-, молекулярным (в полимерах) и непосредственно базовым электронноядерным — химическим.
Таким образом, современные тенденции развития материаловедения характеризуются прежде всего накоплением значительного 
объема эмпирической количественной информации о структуре и 
свойствах как традиционных металлических материалов, так и неметаллических, полученных наукой и промышленностью. Прежде 
всего за счет органических и неорганических полимерных материалов, керамик и композиционных материалов на их основе. Соот

ветственно возникает первая проблема в традиционном материаловедении: ограниченная возможность качественного изложения всего 
этого количества информации в рамках учебных часов, отведенных 
на материаловедческие дисциплины федеральными государственными образовательными стандартами. Назовем ее проблемой противоречия между количеством накопленной эмпирической информации в материаловедении и низким качеством ее системного теоретического изложения.
Второй проблемой и особенностью, характеризующей сегодняшний уровень развития материаловедения, является традиционное 
признание факта, что теоретическую основу этой науки составляют 
соответствующие разделы физики и химии, хотя при этом до сих пор 
утверждается, что наука о материалах развивается в основном экспериментальным путем. Поэтому следует признать, что сегодня материаловедение еще не достигло уровня строгой фундаментальной естественной науки, так как в ней традиционно не раскрываются два 
основных признака (критерия) этого: единая теория строения основного материального объекта ее исследования (в данном случае материала) и система, объединяющая на научной основе различные виды 
металлических и неметаллических материалов. В результате конкретизация и упорядочение изложения теоретических основ материаловедения представляется крайне актуальной задачей этой важнейшей учебной дисциплины на современном историческом этапе, 
позволяющей раскрыть ее индивидуальность, показать единство и 
специфику структуры и свойств внешне, казалось бы, таких различных материалов, как металлы, полимеры, керамика и т.д. Особое 
значение эта дисциплина имеет в плане подготовки сегодняшних 
высококвалифицированных специалистов для энергетики и машиностроения ввиду их крайней важности для жизнеобеспечения государства и концентрации в этих отраслях целого комплекса как традиционных металлических и неметаллических конструкционных и 
функциональных (электропроводящих, диэлектрических и др.) материалов, так и материалов нового поколения.
Решение этих основных проблем традиционного материаловедения сегодня возможно только через расширение применения фундаментализации этой учебной дисциплины с использованием базисных инноваций, основу которых составляют новые фундаментальные 
научные достижения, позволяющие создавать перспективные системные обобщения и учебники следующих поколений. В том числе 
только на основе базисных научных инноваций возможно раскрытие 
единства и индивидуальности материаловедения, включая возможность разработки современной научной методологии прогнозирования структуры и свойств новых материалов. При этом сегодня под 
просто инновацией понимаются продукты творческого труда, име

ющие завершенный вид товара, готового к применению и распространению (например, создание колеса, самолета, персонального 
компьютера, наноструктурированных материалов и т.д.), а под базисными инновациями понимаются такие инновации, в основе которых 
лежат фундаментальные научные достижения, позволяющие создавать качественно новые системы и продукты (материалы, технологии, учебники и т.д.) следующих поколений (ярким примером базисной научной инновации для своего времени может служить Периодическая система элементов Д.И. Менделеева, позволившая 
спрогнозировать наличие в природе и свойства атомов, ранее неизвестных ученым). Таким образом, базисные научные инновации 
должны лежать и в основе современных монографий, учебников 
и т.д. по конкретным естественнонаучным дисциплинам.
В частности, в данном учебнике будут использованы четыре базисные научные инновации.
Основой для создания настоящего учебника послужил опыт автора по чтению лекций по курсам «Материаловедение. ТКМ», «Современное материаловедение» и др., а также изданные на этой основе пособия.
В учебнике особое внимание уделено систематизации терминологии и упорядочению основных понятий материаловедения, их дефиниций в плане уточнения и повышения универсальности.
В результате освоения данного курса по материаловедению студенты должны:
 
• знать: 
химические 
и 
физические 
основы 
особенностей 
строения и свойств металлических, полимерных, керамических 
и других неметаллических и композиционных материалов, 
а также методы их исследований и испытаний, включая подходы к технологическому управлению структурой и свойствами 
материала на стадиях: синтеза материала (способ и технология 
получения); обработки материала (например, модификации или 
легирования, типа термомеханической, термохимической и т.д. 
обработки для получения полуфабриката или конечного изделия) и переработки материала в изделие;
 
• уметь: различать особенности химического, физического, механического и других взаимодействий в различных видах материалов; многообразные виды веществ и выбирать наиболее важные для реального практического материаловедения; прогнозировать строение и свойства наиболее важных металлических и 
неметаллических материалов; ориентироваться в современных 
тенденциях получения, применения и расширения номенклатуры перспективно-конструкционных и функциональных материалов;

 
• владеть: терминологией в области материаловедения; навыками 
и методологией прогнозирования структуры и свойств различных современных материалов, типа металлов, керамик, полимеров и композиционных материалов на их основе; навыками 
применения полученной информации для обоснованного выбора материала при изготовлении конкретного изделия или 
применения его на практике.
Соавторами глав  4, 5, 7 является доцент, канд. хим. наук, доктор 
(Phd) Р.О. Сироткин; раздела 5.4 — канд. техн. наук, доцент кафедры 
МВТМ КГЭУ А.М. Трубачева и разделов 4.2.2.2., 5.5 — канд. техн. 
наук, доцент кафедры МВТМ КГЭУ П.Б. Шибаев.
Автор выражает благодарность доц. Сухарникову А.Е., заведующим учебных лабораторий кафедры МВТМ КГЭУ Гарявиной С.А., 
Лазаревой А.В. и др. за дискуссии, ценные замечания и помощь в 
создании данного учебника. Особую благодарность автор выражает 
председателю Научно-методического совета (НМС) по материаловедению и технологии конструкционных материалов Минобразования и науки РФ, заведующему кафедрой технологии конструкционных материалов МАИ (ТУ), профессору Г.П. Фетисову и многим 
другим.
Предложения и замечания по совершенствованию настоящего 
учебника просим высылать по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51, КГЭУ, кафедра МВТМ; тел.: (8-843) 527-92-29, 519-4322 (р), e-mail: Oleg_Sirotkin@front.ru.

ГЛАВА 1

ВВЕДЕНИЕ В МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Ключевые слова: материаловедение, проблемы развития, объект и предмет 

исследования, инновации, базисные понятия, материал

Отыщи всему начало, 
и ты многое поймешь.

К. Прутков

Значимость материаловедения в жизни человечества трудно пе
реоценить. Важнейшая роль материалов в основных направлениях 
жизнеобеспечения человечества продемонстрирована на рис. 1.1. 
Ведь жизнеобеспечение человечества опиралось и опирается на наличие у него трех основных материальных составляющих: энергия
(прежде всего тепловая в виде огня как продукта химической реакции горения материалов на основе углеводородов и т.д.), химические 
вещества — материалы (для изготовления различных изделий — оружия, инструментов, одежды, жилища, включая печи для получения 
энергии и т.д.) и, наконец (а может, и в первую очередь), пища как 
разновидность вещества или материала для поддержания жизнедеятельности организма, включая ее использование и в качестве строительного материала тела человека. Причем приготовление пищи 
также невозможно без использования различных конструкционных 
материалов и энергии, получаемой в первую очередь в результате 
горения различных материалов.

Рис. 1.1. Материалы в жизнеобеспечении человечества

1.1. 
ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ СОВРЕМЕННОГО 
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Областью профессиональной деятельности материаловеда явля
ется исследование и разработка материалов различного назначения, 
а также технологических процессов производства, обработки и переработки материалов с целью придания им заданных свойств.

Из рис. 1.2 следует, что история эволюции материаловедения мо
жет быть разделена на этапы, различающиеся временем начала использования в практической жизни человека различных природных 
и новых видов материалов, т.е. на основе расширения их номенклатуры.

Первый этап — период с глубоких времен до н.э. (Рождества Хрис
това) — использование материалов на основе природного камня, 
древесины и растений (природных материалов), подавляющая часть 
которых построена из неорганических (безуглеродных) и органических (углеродных) природных полимеров. Этот этап характеризуется 
минимальным технологическим воздействием человека на природные материалы — на уровне механической их обработки с целью 
придания нужной формы (наконечник копья, скребок, лезвие и т.д.) 
или свойств (механическое воздействие на растения с целью получения волокон для тканей и одежды и т.д.).

Второй этап начинается приблизительно 28 000 лет назад (но не 

менее чем 12 000 лет до н.э. или 14 000 лет в целом по результатам 
анализов наиболее древнего черепка керамики, обнаруженного в 
русле р. Нил в Египте). Он был связан с наличием больших запасов 
глин в Египте и Месопотамии. В этот период была разработана технология формования из неорганической пластмассы на основе глины 
(полиалюмосилоксан) пластифицированной водой различных изделий, которые после сушки подвергались воздействию огня с превращением в керамику (неплавкое, прочное и нерастворимое в воде 
тело — материал). Фаянс как одна из разновидностей керамики (изготавливаемый из состава подобного фарфору, но с пористостью до 
30%) известен приблизительно с 9-го тысячелетия до н.э. (т.е. около 
11 000 лет). Это этап начала использования искусственных материалов.

Третий этап начинается приблизительно с 8-го тысячелетия до н.э. 

(около 10 000 лет), характеризуется началом использования самородных металлов (меди) с целью изготовления из них (переработки) необходимых изделий взамен каменных. Более 3,5 тыс. лет до н.э. египтяне впервые выплавили железо (видимо, в качестве побочного продукта рафинирования меди) и стали использовать его для 
изготовления украшений. Раскрыт первый секрет получения главного металла цивилизации.

Рис. 1.2. Эволюция расширения номенклатуры основных материалов в различные исторические периоды в рамках решения 

основных задач по жизнеобеспечению человечества