Материаловедение

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Г.Г. СЕФЕРОВ, В.Т. БАТИЕНКОВ

Москва
РИОР

ИНФРА-М

УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3я73
 
С33

ISBN 978-5-369-01545-2 (РИОР)
ISBN 978-5-16-104534-3 (ИНФРА-М, online)

УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3я73

Сеферов Г.Г., Батиенков В.Т. 

Материаловедение : учебное пособие / Г.Г. Сеферов, В.Т. Ба
тиенков. — Москва : РИОР : ИНФРА-М, 2020. — 158 с. — (СПО).

ISBN 978-5-369-01545-2 (РИОР)
ISBN 978-5-16-104534-3 (ИНФРА-М, online)

Изложены основы материаловедения, приведены сведения 

о материалах и изделиях, применяемых для систем газоснабжения, освещены современные методы защиты газопроводов 
от коррозии.

Предназначено для студентов средних профессиональных 

учебных заведений. Может быть использовано инженернотехническими специалистами.

Оригинал-макет подготовлен в Издательском Центре РИОР

Подписано в печать 07.08.2017.

Формат 70х100/32. Бумага типографская. Гарнитура «Newton». 

Печать офсетная. Усл. печ. л. 6,45. Уч.изд. л. 7,30. 

Тираж 3000 экз. 
Цена свободная.

ТК 82740–927471–070817

ООО «Издательский Центр РИОР»

127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В.
Email: info@riorр.ru    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

С33

© Сеферов Г.Г., 
Батиенков В.Т.

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

ПРЕДИСЛОВИЕ
В учебном пособии изложены физико-механические 
основы материаловедения, приведены сведения о материалах и изделиях, применяемых для систем газоснабжения, современных методах защиты газопроводов от коррозии.
Учебное пособие разработано в соответствии с Государственным образовательным стандартом среднего профессионального образования по специальности 2915 
«Монтаж и эксплуатация оборудования и систем газоснабжения», предусматривающим изучение учебной дисциплины «Материаловедение». Оно может быть также 
полезно инженерно-техническому персоналу, работающему по данной специальности.
Авторы — канд. техн. наук, доц. Г.Г. Сеферов, канд. 
техн. наук, доц. В.Т. Батиенков.
Авторы выражают благодарность рецензенту — зав. 
кафедрой «Материаловедение и технология материалов» 
Южно-Российского государственного технического университета, д-ру техн. наук, проф. Ю.Г. Дорофееву за замечания и пожелания, способствовавшие улучшению содержания, а также главному специалисту ЦНИИЭП жилища Б.И. Штейману за большую научно-техническую и 
методическую помощь при редактировании рукописи. 

ВВЕДЕНИЕ
Материаловедение — наука, изучающая связь между 
составом, строением и свойствами металлических сплавов и неметаллических материалов, а также рассматривающая закономерности их изменения под влиянием механических, физико-химических и других видов воздействий.
Свойства материалов определяются не только химическим составом, но и их структурой. Изменять структуру 
можно различными путями: легированием, гранулированием, деформированием, термической, химико-термической и термомеханической обработками и др. 
Материаловедение базируется на научных основах 
физики, химии и новейших достижениях в области технологии получения полуфабрикатов и изделий.
Основы современного материаловедения были заложены выдающимися русскими учеными в области металлургии П.П. Аносовым (1799–1855), впервые установившим 
связь между строением стали и ее свойствами, и 
Д.К. Черновым (1839–1921), который в 1868 г. открыл 
структурные превращения в сталях при их нагреве и охлаждении и по праву считается основоположником металлографии — науки о строении металлов и сплавов. Его научные открытия легли в основу процессов ковки, прокатки 
и термической обработки стали. Дальнейшее развитие металловедение получило в работах видных отечественных 
ученых: Н.И. Беляева, Н.С. Курнакова, А.А. Байкова, 
С.С. Штейнберга, А.А. Бочвара, Г.В. Курдюмова и др.
Наука о металлах развивается, используя электронные 
микроскопы, микрорентгеноспектральный анализ и другую современную аппаратуру. Это позволяет более глубоко и полно изучить строение металлов и сплавов, находить 
новые пути повышения их механических и физико-технических свойств. В строительстве и прокладке газопроводов все большее применение получают полимерные материалы, обладающие совокупностью необходимых свойств 
и высокой долговечностью.

Знание основ материаловедения необходимо каждому 
специалисту, работающему в области создания, эксплуатации оборудования и систем газоснабжения.

Раздел I.  
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ. ОСНОВНЫЕ 
МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ СИСТЕМ 
ГАЗОСНАБЖЕНИЯ

ГЛАВА 1.  
СТРОЕНИЕ, ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА  
И СПОСОБЫ ИСПЫТАНИЙ МЕТАЛЛОВ  
И СПЛАВОВ

1.1. ОснОвные виды металлОв

Металлы — материалы, обладающие высокой тепло- и 
электропроводностью, ковкостью, металлическим блеском, непрозрачностью и другими свойствами. Металлы и 
сплавы на их основе характеризуются комплексом механических, физических, химических и технологических 
свойств, обеспечивающих широкое применение в различных отраслях техники, промышленности, жилищном 
и дорожном строительстве.
Металлы условно делят на черные (железо и сплавы 
на его основе — сталь, чугун) и цветные.

1.2. КристалличесКОе стрОение металлОв

В твердом состоянии металлы и металлические сплавы обладают кристаллическим строением со строго определенным расположением атомов. Кристаллические тела 
состоят из множества мелких зерен (кристаллитов), внутри которых атомы расположены закономерно, образуя в 
пространстве правильную кристаллическую решетку. 
В идеальной кристаллической решетке атомы находятся 
на определенных расстояниях друг от друга и располагаются в определенных местах. Такое упорядоченное расположение атомов отличает кристаллическое тело от 

аморфного, в котором атомы расположены беспорядочно. Аморфное твердое тело является изотропным, т.е. обладает одинаковыми свойствами во всех направлениях. 
Ему присущи высокая твердость, хорошая коррозионная 
стойкость и другие свойства. Если такое тело нагреть до 
определенной температуры, которая приведет к значительному повышению тепловой активности атомов, то 
его аморфное состояние перейдет в кристаллическое. 
Можно получить и смешанную структуру — аморфную 
основу и образовавшиеся в ней кристаллы.
Кристаллическим веществам свойственна анизотропия свойств, они обладают различными свойствами в 
разных направлениях. Это объясняется тем, что число 
атомов, приходящихся на то или иное плоское сечение 
кристаллической решетки, неодинаково.
В кристаллах всегда имеются дефекты (несовершен
ства) строения, вызванные нарушением расположения 
атомов в кристаллической решетке. Характер и степень 
нарушения правильности кристаллического строения определенным образом сказываются на свойствах металлов. 
Дефекты кристаллического строения по геометрическим 
признакам подразделяют на точечные, линейные и поверхностные.
К точечным дефектам относятся вакансии и межузельные атомы. Атомы находятся в колебательном движении 
около узлов кристаллической решетки, а нагревание увеличивает амплитуду этих колебаний. Большинство атомов 
металла в решетке обладают одинаковой (средней) энергией, однако отдельные из них имеют энергию, превосходящую среднюю, и могут перемещаться из одного места в 
другое. Так, атомы, расположенные ближе к поверхности, 
выходят на поверхность, а их место могут занять атомы, 
находящиеся дальше от нее. Освободившееся место, где 
находился переместившийся атом, называется вакансией. 
Число вакансий увеличивается с повышением температуры, при обработке давлением, облучением и других видах 
воздействий. Вакансии играют важную роль в диффузионных процессах, происходящих в металлах и сплавах.

Межузельные дефекты образуются вследствие перехода атома из узла решетки в межузлие кристаллической 
решетки. Точечные дефекты приводят к искажению кристаллической решетки (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Дефекты кристаллической решетки: а — вакансия; 
б — межузельный атом
Линейные дефекты называются дислокациями. Различают два вида дислокаций — краевые и винтовые. Краевая дислокация представляет собой местное искажение 
кристаллической решетки; винтовая дислокация образуется при неполном сдвиге кристалла в плоскости. Дислокации происходят в процессе кристаллизации, при термической и химико-термической обработках, пластической деформации и других видах воздействий на структуру 
металлов. Для дислокации характерна большая подвижность. Это связано с тем, что кристаллическая решетка в 
зоне нахождения дислокации упруго искажена, а смещенные атомы стремятся переместиться в равновесное 
положение. На свойства металлов влияет не только плотность дислокаций, но и их расположение в объеме.
Поверхностные дефекты представляют собой поверхности раздела между отдельными кристаллами или их 
блоками. На границах зерен расположение атомов менее 
правильное, чем в зерне.
Вакансии, дислокации и другие дефекты атомнокристаллического строения оказывают существенное 
влияние на свойства металлов.

Металлы и сплавы могут находиться в трех агрегатных 
состояниях — твердом, жидком и газообразном. Переход 
металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Этот вид кристаллизации является первичной в отличие от вторичной кристаллизации (перекристаллизации), которая имеет место в 
твердом металле. В чистых металлах твердое состояние 
переходит в жидкое при температуре плавления, жидкое в 
газообразное — при температуре кипения. Температура 
плавления металлов колеблется от –39 °С (для ртути — 
самого легкоплавкого металла) до +3390 °С (для вольфрама — самого тугоплавкого металла).
На рис. 1.2 приведена схема, показывающая механизм 
кристаллизации металла.

Рис. 1.2. Схема кристаллизации металлов
До тех пор пока формирующийся вокруг центра кристаллизации кристалл окружен жидким расплавом металла, он имеет строго определенную геометрическую форму, однако при столкновении и срастании кристаллов их 
правильная форма нарушается и образуются так называемые кристаллиты — зерна.
Величина зерна зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста. На образование центров кристаллизации влияет скорость охлаждения. Чем больше 
степень охлаждения, тем больше центров кристаллизации 

и меньше размер зерна. Чем мельче зерно, тем выше механические свойства металла (сплава). Особенно это сказывается на пластичности металла. На процесс кристаллизации оказывает влияние ультразвук, модифицирование, введение порошков, частицы которых служат 
центрами кристаллизации; поверхностно-активные вещества, облегчающие образование зародышей, и др.
Обычно механизм образования кристаллов носит дендритный характер, поскольку развитие зародышей протекает главным образом в тех направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов и 
минимальное расстояние между ними. В этих направлениях образуются ветви — оси первого порядка I (рис. 1.3). 
От этих осей начинают расти новые оси второго II, от 
осей второго — оси третьего порядка III и т.д.

1.3. КристалличесКие решетКи, их типы. пОлимОрфные

превращения

Металлы имеют кристаллические решетки различных 
типов. Чаще всего встречаются: кубическая объемно-центрированная (ОЦК), кубическая гранецентрированная 

Рис. 1.3. Схема дендрита Д.К.Чернова