Материаловедение

ÌÀÒÅÐÈÀËÎÂÅÄÅÍÈÅ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Второе издание

È.Ñ. ÄÀÂÛÄÎÂÀ, Å.Ë. ÌÀÊÑÈÍÀ

Москва
РИОР

ИНФРА-М

УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3я73
 
Д13

Давыдова И.С., Максина Е.Л.

Д13 
 
Материаловедение : учебное пособие / И.С. Да
выдова, Е.Л. Максина. — 2-е изд. — Москва : РИОР : 
ИНФРА-М, 2020. — 228 с. — (ВО: Бакалавриат).

ISBN 978-5-369-01222-2 (РИОР)
ISBN 978-5-16-006880-0 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-103938-0 (ИНФРА-М, online)

В учебном пособии в краткой и доступной форме рассмотрены 

все основные вопросы, предусмотренные государственным образовательным стандартом и учебной программой по дисциплине 
«Материаловедение».

Книга позволит быстро получить основные знания по пред
мету, а также качественно подготовиться к зачету и экзамену.

Рекомендуется студентам, обучающимся по техническим и 

технологическим специальностям и направлениям.

УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3я73

ISBN 978-5-369-01222-2 (РИОР)
ISBN 978-5-16-006880-0 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-103938-0 (ИНФРА-М, online)

© Давыдова И.С., 
Максина Е.Л.

Подписано в печать 20.10.2015.

Формат 70х100/32. Бумага типографская.

Гарнитура «Newton». Печать офсетная.

Усл. печ. л. 9,19. Уч.-изд. л. 11,54.

Доп. тираж 200 экз. 

Цена свободная.

ТК 71230 – 927437 – 201015

ООО «Издательский Центр РИОР»

127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В.

Тел.: (495) 280-38-67. Факс: (495) 280-36-29 
E-mail: info@riorр.ru    http://www.riorpub.com

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1.
Тел.: (495) 280-15-96. 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. 2 ст. 1

Тема 1. 
ПРЕДМЕТ 
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

1. Предмет и значение
материаловедения

Материаловедение — наука, сконцентрировавшая в себе 
современные знания о технологиях производства и особенностях материалов и средствах их физикохимической переработки в целях изготовления деталей и изделий различного 
назначения.
Задачи материаловедения:
1) создание и внедрение в производство материалов для 
принципиально новой техники;
2) создание новых материалов и прогрессивных технологических процессов;
3) улучшение качества и ассортимента металлопродукции;
4) увеличение производства новых конструкционных материалов, покрытий и изделий на основе металлических порошков;
5) развитие производства новых полимерных и композиционных материалов с комплексом заданных свойств;
6) обеспечение более широкого применения малоотходных, безотходных и малооперационных технологических процессов;
7) увеличение использования высокоэффективных методов обработки металлов и материалов, обеспечивающих существенное улучшение их свойств, и др.
В настоящее время материаловедение подразделяют на технологию металлов, технологию древесных материалов, технологию пластических масс и других материалов.
Достоинством металлов и сплавов является то, что путем 
целенаправленного изменения их химического состава и внутреннего строения можно получать различные конструкционные материалы с новыми свойствами, дающими возможность применения их во всех отраслях народного хозяйства. 

Используемые в технике металлы принято подразделять 
на две основные группы — черные и цветные. К черным металлам относят железо и его сплавы (чугун, сталь, ферросплавы). Остальные металлы и их сплавы составляют группу цветных.
Достоинствами неметаллических материалов являются 
стойкость к коррозионному износу, небольшая по сравнению 
с металлами масса и другие специфические свойства.
Прикладную науку о строении и свойствах технических материалов, основной задачей которой является установление 
связи между составом, структурой и свойствами, на зывают материаловедением. Из металлов особое значение имеют железо 
и его сплавы, являющиеся до настоящего времени основным 
машиностроительным материалом. Результаты исследований 
материаловедения используются во всех отраслях народного 
хозяйства: в станкостроении, судостроении, автомобильной 
и авиационной промышленности, электронике и радиотехнике и др.

2. История развития материаловедения
в России

Активное развитие материаловедения как науки началось 
с момента получения металлов и изобретения способов их обработки. Вклад в развитие науки о материалах внесли отечественные ученые.
Д.К. Чернов (1839–1921) является основоположником научного металловедения. Работы Н.С. Курнакова (1860–1941) и 
его учеников имели большое значение для развития методов 
физикохимического исследования металлических сплавов.
С.С. Штейнберг (1872–1940), Н.А. Минкевич (1883–1942) и 
Н.Т. Гудцов (1885–1957) разработали теорию и технологию 
термической обработки стали.
С.Т. Конобеевский, Г.В. Курдюмов, В.Д. Садовский, А.А. Бочвар, С.Т. Кишкин, Н.В. Агеев и другие крупные отечественные 
ученые исследовали превращения в металлических сплавах.

А.М. Бутлеров (1828–1886) — крупнейший химик — создал 
теорию химического строения органических соединений и 
научную основу для разработки синтетических полимерных 
материалов.
В.А. Каргин (1907–1969) и его ученики выполнили исследования, имевшие большое значение для развития полимерных материалов. На основе работ С.В. Лебедева (1874–1934) 
было создано промышленное производство синтетического 
каучука. 
В конце ХХ в. широко развивается производство синтетических материалов — пластмасс. Начиная с 1950 г., производство пластмасс каждые пять лет удваивалось. Пластмассы и 
другие неметаллические материалы используются в конструкциях машин и механизмов взамен металлов и сплавов. Они 
позволяют повысить сроки службы ряда деталей и узлов машин и установок, снизить массу конструкций, экономить 
дефицитные цветные металлы и сплавы, снизить стоимость 
и трудоемкость обработки.
Продолжает развиваться и производство металлов. Основное направление его развития — создание сплавов, отвечающих современным требованиям науки и техники. К этим требованиям относятся: 
1) высокая коррозионная стойкость;
2) высокая прочность;
3) высокая пластичность;
4) минимальный вес;
5) устойчивость к деформациям;
6) низкая стоимость производства и другие специфические 
свойства.
К способам получения сплавов с улучшенными свойствами 
относятся легирование, термическая обработка и др.

Тема 2. 
СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА 
МЕТАЛЛОВ

3. Черные и цветные металлы

Металлами называются химически простые вещества, отличающиеся хорошим блеском, высокими теплои электропроводностью, непрозрачностью, плавкостью. Некоторые из 
металлов можно ковать и сваривать.
К черным относят железо и сплавы на его основе — чугун 
и сталь, а также ферросплавы. Остальные металлы составляют 
группу цветных. Из цветных металлов наиболее важное промышленное значение имеют медь, алюминий, свинец, олово, 
никель, титан и др. Цветные металлы обладают рядом 
физикохимических свойств, которые делают их незаменимыми в технике. В настоящее время широко применяют 
редкие цветные металлы: галлий, индий, бериллий, церий, 
цезий, неодим и другие, обладающие очень высокими 
физикохимическими и механическими свойствами как в чистом виде, так и в составе соединений с другими металлами.
Галлий, имея низкую температуру плавления (29,8°С), кипит при температуре 2230°С; он широко используется для изготовления термометров, предназначенных для измерения 
высоких температур.
Индий обладает высокой отражательной способностью 
равномерно рассеивать свет и используется для изготовления 
зеркал и прожекторов. Тонкий слой индия защищает ветровые 
стекла от обледенения.
Бериллий — самый прочный из всех легких металлов. Его 
плотность 1,84 г/см3, он легче алюминия в 1,5 раза, а по удельной прочности превосходит алюминий в пять раз, а титан — в 
три раза. Бериллий обладает высокими акустическими свойствами. Скорость звука в нем распространяется в 2,5 раза быстрее, чем в стали. Бериллий необходим для использования в 
атомной технике. Бериллиевая бронза используется в машиностроении и других отраслях промышленности.

Литий применяется в ядерной технике, радиотехнике. Смазочный материал на основе оксида лития не замерзает при 
температуре –50°С.
Ниобий обладает высокой кислотостойкостью, он чрезвычайно пластичен, его можно обрабатывать на холоде, температура плавления ниобия 2500°С. Из сплава ниобия с цезием 
изготовляют центральную часть атомного реактора.
Тантал — тугоплавкий металл, температура его плавления 
2996°С, он коррозионно-стоек, применяется в виде пластинок 
и проволоки в костной и пластической хирургии.
Осмий — один из самых тяжелых и твердых металлов, очень 
износоустойчив, используется для изготовления хирургических инструментов, позолоченных перьев в авторучках, долгоиграющих игл, осей и опор точных измерительных приборов 
и часовых механизмов.

4. Типы кристаллических решеток

Кристаллическая решетка — это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются атомы (ионы), 
образующие металл. Частицы вещества (ионы, атомы), из 
которых построен кристалл, расположены в определенном 
геометрическом порядке, который периодически повторяется в пространстве.
В аморфных телах (стекле, пластмассах), в отличие от кристаллов, атомы или молекулы расположены беспорядочно, 
хаотично.
Формирование кристаллической решетки в металле происходит следующим образом:
1) при переходе металла из жидкого в твердое состояние 
расстояние между атомами сокращается, а силы взаимодействия между ними возрастают;
2) при сближении атомов электроны, находящиеся на 
внешних оболочках, теряют связь со своими атомами вследствие отрыва валентного электрона одного атома положительно заряженным ядром другого и т.д.;

3) происходит образование свободных электронов, так как 
они не принадлежат отдельным атомам.
Таким образом, в твердом состоянии металл представляет 
собой структуру, состоящую из положительно заряженных 
ионов, вокруг которых движутся свободные электроны. Связь 
в металле осуществляется электростатическими силами. Между ионами и свободными электронами возникают электростатические силы притяжения, которые «стягивают» ионы. 
Такую связь между частицами металла называют металлической.
Силы связи в металлах определяются силами отталкивания 
и силами притяжения между ионами и электронами. Ионы находятся на таком расстоянии один от другого, при котором 
потенциальная энергия взаимодействия минимальна. В металле ионы располагаются в определенном порядке, образуя 
кристаллическую решетку. Такое расположение ионов обеспечивается взаимодействием их с валентными электронами, 
которые связывают ионы в кристаллической решетке. Типы 
кристаллических решеток у различных металлов различны. 
Наиболее часто встречаются решетки: объемноцентрированная 
кубическая (ОЦК) — Fe, Cr, W, гранецентрированная кубическая (ГЦК) — Fe, Al, Сu и гексагональная плотно упакованная (ГПУ) — Mg, Zn и др.
Наименьший объем кристалла, дающий представление об 
атомной структуре металла в любом его объеме, называют 
элементарной кристаллической ячейкой. 

5. Дефекты в кристаллах

В кристаллах всегда есть дефекты строения, вызванные нарушением расположения атомов кристаллической решетки. 
Дефекты кристаллического строения разделяют на точечные, 
линейные и поверхностные.
Причиной образования дефектов являются вакансии (место, 
где находился атом, обладающий большей энергией и пере

шедший с одного места на другое). На это место вакансии 
через некоторое время перемещается один из атомов соседнего слоя и т.д. Таким образом, вакансия перемещается вглубь 
кристалла. С повышением температуры число вакансий увеличивается, и они чаще перемещаются из одного узла в другой.
К точечным дефектам относят также атом, внедренный в 
междоузлие кристаллической решетки, и замещенный атом, 
когда место атома одного металла замещается в кристаллической решетке другим, чужеродным атомом. Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решетки. 
Линейные дефекты являются другим важнейшим видом 
несовершенства кристаллической решетки, когда в результате сдвига на одно межатомное расстояние одной части решетки относительно другой вдоль какойлибо плоскости число 
рядов атомов в верхней части решетки на один больше, чем в 
нижней. В данном случае в верхней части решетки появилась 
как бы лишняя атомная плоскость (экстраплоскость). Край 
экстраплоскости, перпендикулярный направлению сдвига, 
называется краевой (линейной) дислокацией, длина которой 
может достигать многих тысяч межатомных расстояний. Кристаллическая решетка в зоне дислокаций упруго искажена, 
поскольку атомы в этой зоне смещены относительно их равновесного состояния. 
Поверхностные дефекты представляют собой границы раздела между отдельными кристаллами. На границе раздела 
атомы кристалла расположены не так упорядочено, как в его 
объеме. Кроме того, по границам раздела скапливаются дислокации и вакансии, а также концентрируются примеси, что 
еще больше нарушает порядок расположения атомов. При 
этом сами кристаллы разориентированы, т.е. могут быть повернуты относительно друг друга на десятки градусов. 
Дефекты в кристаллах существенно влияют на свойства 
металлов. Для получения металлов и сплавов высокого качества необходимо свести все дефекты к минимуму. Этого можно добиться, прибегнув к специальным методам обработки, 
например, к методам термической обработки.

6. Анизотропия кристаллов

На поведение и свойства кристаллов влияют многие внутренние и внешние факторы. Анизотропией называют неодинаковость физических свойств среды в разных направлениях. 
Неодинаковостью обладают следующие свойства: 
1) прочность; 
2) твердость;
3) электрическое сопротивление;
4) тепловое расширение.
Причина анизотропии — различие плотности упаковки 
атомов или молекул в решетке в различных направлениях.
Свойством анизотропности обладают все кристаллы, а 
аморфные тела (стекло, смола, резина, парафин и др.) изотропны, т.е. имеют одинаковую плотность атомов в различных 
направлениях. 
Анизотропия свойств важна при использовании монокристаллов — одиночных кристаллов, частицы которых расположены единообразно по всему их объему. Монокристаллы 
имеют правильную кристаллическую огранку (в форме естественных многогранников), анизотропны по механическим, 
электрическим и другим физическим свойствам. Так, для 
монокристалла меди предел прочности в изменяется от 120 
до 360 МПа в зависимости от направления приложения нагрузки. А монокристалл поваренной соли может разрушиться, 
если приложить малейшие усилия к одной из его сторон.
Металлы и сплавы, применяемые в технике, обычно имеют поликристаллическую структуру, т.е. состоят из множества 
мелких и различно ориентированных в пространстве кристаллов, не имеющих правильной кристаллической огранки и называемых кристаллитами (или зернами). В поликристаллах 
наблюдается анизотропия. Но вследствие разнообразной, 
беспорядочной ориентировки кристаллографических плоскостей в различных зернах поликристалл может иметь одинаковые или сходные свойства по разным направлениям и не обнаруживать анизотропию (когда размеры зерен значительно 
меньше размеров поликристалла и количество их весьма ве