Основы металловедения

Москва
ИНФРА-М
2020

ОСНОВЫ
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ

Ю.М. ЛАХТИН

Рекомендуется в качестве учебника 
для студентов средних профессиональных учебных заведений, 
обучающихся по металлургическим 
и машиностроительным специальностям

УЧЕБНИК

Оригинал-макет подготовлен в НИЦ ИНФРА-М

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

Подписано в печать 24.02.2020.
Формат 6090/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton. Печать цифровая. 
Усл. печ. л. 17,0. ППТ30. Заказ  № 00000

ТК  420100-1088374-251012

Лахтин Ю.М.
Основы металловедения : учебник / Ю.М. Лахтин. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 272 с. — (Среднее профессиональное 
образование).

ISBN 978-5-16-004714-0 (print)
ISBN 978-5-16-102608-3 (online)

Рассмотрены кристаллическое строение металлов, процессы кристаллизации, пластической деформации и рекристаллизации, фазы, образующиеся 
в сплавах, диаграммы состояния двойных и тройных систем и технология термической обработки стали на металлургических и машиностроительных заводах. 
Приведены необходимые сведения о конструкционных, инструментальных, коррозионностойких и жаропрочных сталях, а также сплавах на основе титана, меди, 
алюминия и магния. Представлены новые металлические материалы — композиционные, сплавы с «эффектом памяти формы», металлические стекла, стали 
повышенной и высокой обрабатываемости, а также порошковые материалы.
Учебник предназначен для учащихся металлургических и машиностроительных техникумов. 

УДК 669.01(075.32)
ББК 34.2я723

УДК  669.01(075.32)
ББК  34.2я723
 
Л29

Л29

ISBN 978-5-16-004714-0 (print)
ISBN 978-5-16-102608-3 (online)
© Лахтин Ю.М., 2013

Р е ц е н з е н т ы: 
профессор А.Г. Рахштадт и преподаватель Московского вечернего 
металлургического техникума И.Н. Мамонтова

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

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

ПРЕДИСЛОВИЕ

Курс «Основы металловедения», в котором изложены закономерности, определяющие строение и свойства металлов и сплавов в 
зависимости от их состава и условий обработки,— один из основных 
в цикле дисциплин, определяющих подготовку техников-металлургов 
и машиностроителей.
Учебник написан в соответствии с программой курса «Основы 
металловедения» для средних специальных учебных заведений по 
металлургическим специальностям (доменное производство, производство стали, прокатное производство и др.).
В учебнике представлены различные виды термической обработки 
стали. Большое внимание уделено отжигу и нормализации — преобладающим процессам на металлургических заводах для облегчения 
дальнейшего металлургического передела (например, при производстве калиброванной стали) или подготовке металла для механической 
или деформационной обработки на машиностроительных заводах; 
термической обработке с прокатного нагрева сортового проката; 
рассмотрены режимы противофлокенной обработки.
Автор выражает глубокую благодарность рецензентам проф. 
А.Г. Рахштадту и преподавателю И.Н. Мамонтовой за ценные замечания, которые учтены им.

ВВЕДЕНИЕ

Металловедением называется наука, устанавливающая связь 
между составом, структурой и свойствами металлов и сплавов и изучающая закономерности их изменения при тепловых, химических, 
механических, электромагнитных и радиоактивных воздействиях.
Впервые существование связи между строением стали и ее свойствами было установлено П.П. Аносовым (1799–1839).
Основы научного металловедения были заложены выдающимся 
русским металлургом Д.К. Черновым (1839–1921), который за свои 
работы был назван в литературе «отцом металлографии».
В начале XX в. большую роль для развития металловедения сыграли работы Н.С. Курнакова, который применил для исследования 
металлов методы физикохимического анализа.
Большое значение в развитии металловедения и термической обработки имели работы Осмонда (Франция), ЮмРозери и 
Н. Мотта (Англия), Ф. Зейтца, Э. Бейна и Р. Мейла (США), Таммана 
и Ганемана (Германия) и др.

Развитие металловедения неразрывно связано с работами советских ученых. В период индустриализации страны возникли многочисленные исследовательские лаборатории на заводах и во втузах, а также 
был создан ряд специализированных исследовательских институтов, 
в которых развернулась широкая работа в области металловедения и 
термической обработки металлов.
Большой вклад в развитие отечественного металловедения внесли С.С. Штейнберг, Н.А. Минкевич, Г.В. Курдюмов, А.М. Бочвар, 
А.А. Бочвар, С.Т. Кишкин, В.Д. Садовский, И.И. Сидорин, А.П. Гуляев и их школы.
Все металлы и сплавы принято делить на две группы. Железо и 
сплавы на его основе (сталь, чугун) называют  ч е р н ы м и  м е т а л л а м и , а остальные металлы (Be, Mg, Al, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 
Zn, Zr, Nb, Mo, Ag, Sn, W, Au, Hg, Pb и др.) и их сплавы — ц в е т н ы м и .
Наибольшее применение нашли черные металлы. На основе железа изготовляется не менее 90% всех конструкционных и инструментальных материалов. По сравнению с цветными металлами стоимость 
железа и его сплавов невелика. Цветные металлы по сходным свойствам подразделяют на легкие металлы (Be, Mg, Al, Ti), обладающие 
малой плотностью; легкоплавкие металлы (Zn, Cd, Sn, Sb, Hg, Pb, Bi); 
тугоплавкие металлы (Ti, Cr, Zr, Nb, Mo, W, V и др.) с температурой 
плавления выше, чем у железа (1539 °С); благородные металлы (Pt, Pb, 
Ag, Os, Pt, Au и др.), обладающие химической инертностью; урановые 
металлы (U, Th, Ра) — актиноиды, используемые в атомной технике; 
редкоземельные металлы (РЗМ), лантаноиды (Се, Рг, Nd, Sm и др.) 
и сходные с ними иттрий и скандий, применяемые как присадки к 
различным сплавам; щелочноземельные металлы (Li, Na, K), используемые в качестве теплоносителей в атомных реакторах.

Глава I
СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Металлы в твердом и частично в жидком состоянии имеют высокую теплои электропроводность, положительный температурный 
коэффициент электросопротивления. С повышением температуры 
электросопротивление чистых металлов возрастает; большое число 
металлов обладает сверхпроводимостью: у них при температуре, 
близкой к абсолютному нулю, электросопротивление уменьшается 
скачкообразно до очень малых значений. Кроме того, все металлы 
обладают достаточной отражательной способностью и хорошей деформируемостью.
М е т а л л ы  и  м е т а л л и ч е с к и е  с п л а в ы  —  т е л а  к р и с т а л л и ч е с к и е .  А т о м ы  ( и о н ы )  в  н и х  р а с п о л о ж е н ы 
з а к о н о м е р н о  в  о т л и ч и е  о т  а м о р ф н ы х  т е л ,  в  к о т о р ы х  а т о м ы  р а с п о л а г а ю т с я  б е с п о р я д о ч н о  ( х а о т и ч н о ).
Металлы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких (1000–0,1 мкм), различно ориентированных один по отношению к другому кристаллов. Вследствие 
разных условий кристаллизации металла эти кристаллики имеют 
неправильную форму; в отличие от кристаллов правильной формы 
их называют к р и с т а л л и т а м и  и л и  з е р н а м и  м е т а л л а.

СТРУКТУРНЫЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ 
СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Для изучения строения металлов и сплавов, получаемых сплавлением (спеканием) двух или нескольких металлов или металлов с 
неметаллами, применяют различные методы исследования. Наиболее широко используют металлографический анализ, позволяющий 
изучать  с т р у к т у р у, т.е. форму, размеры и характер взаимного 
расположения кристаллитов, образующих металл или сплав.
Различают  м а к р о с т р у к т у р у  — строение металла или сплава, 
видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении 
(в 30–40 раз), и  м и к р о с т р у к т у р у  — строение металла или 
сплава, наблюдаемое с помощью микроскопа при больших увеличениях.
Макроструктуру изучают на  м а к р о ш л и ф а х.  Для получения их 
из крупных заготовок (слитков, поковок и т.д.) или изделий вырезают 

тем плеть; (макрошлифы), поверхность которых шлифуют, а затем 
подвергают травлению специальными реактивами.
При исследовании макрошлифа можно определить форму и 
расположение зерен в литом металле (рис. 1, а); направление волокна (деформированные кристаллиты) в поковках и штамповках 
(рис. 1, б); дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочная 
рыхлость, газовые пузыри, раковины, трещины и т.д.); химическую 
неоднородность сплава, вызванную кристаллизацией или созданную 
термической, а также химикотермической (цементация,  азотирование и др.) обработкой.

 

Рис. 1. Макроструктура литого (а) и деформированного (б) металла

Микроструктура показывает (рис. 2, а) взаимное расположение 
кристаллитов, их форму и размеры. Микроструктуру изучают на 
м и к р о ш л и ф а х.
Для этого из исследуемого полуфабриката или детали вырезают в 
определенном направлении небольшой образец, одну из плоскостей 
которого шлифуют, полируют и подвергают травлению специальными реактивами.
Микроструктуру металлов наблюдают в световом или электронном 
микроскопах. В последнем случае готовят не микрошлиф, а специальный объект — фольгу или реплику.
Разрешающая способность светового микроскопа, т.е. минимальный размер объекта (детали структуры), который различим с его 
помощью, не превышает 200 нм. Полезное увеличение в световом 
микроскопе достигает примерно 1500 раз. Применение больших увеличений бесполезно, так как новые, более мелкие детали структуры 
не становятся видимыми, меняется только масштаб изображения, 
поскольку разрешающая способность, определяемая волновой природой света, не меняется.
Разрешающая способность электронных микроскопов значительно выше световых. Использование электронных лучей, обладающих

Рис. 2. Микроструктура металла:
а — микроструктура стали (Fe—Fe3C), ×1500; б — то же, ×44 000; 
в — субструктура металла (дислокации), ×44 000; 
г — микрофрактография стали, ×16 000

очень малой длиной волны (0,04–0,12) 10–1, дает возможность различать детали изучаемого объекта размерами до 0,2–0,5 нм.
Наибольшее распространение нашли п р о с в е ч и в а ю щ и е 
э л е к т р о н н ы е  м и к р о с к о п ы ПЭМ, в которых поток электронов проходит через изучаемый объект, представляющий собой 
тонкую фольгу. Получаемое изображение является результатом 
неодинакового рассеивания электронов на объекте.
ПЭМ позволяет подробно изучать субструктуру металла. Одно из 
наиболее важных достижений электронной микроскопии — возможность прямого наблюдения дефектов кристаллической структуры. 
На рис. 2, б, в показана микроструктура, полученная в электронном 
микроскопе.
Очень большое применение получили р а с т р о в ы е  э л е к т р о н н ы е  м и к р о с к о п ы (РЭМ), в которых изображение создается 
благодаря вторичной эмиссии электронов, изучаемых поверхностью, 
на которую падает непрерывно перемещающийся по этой поверхности поток первичных электронов.

Растровый микроскоп позволяет изучать непосредственно поверхность металла, однако разрешающая способность его (25–30 нм) 
меньше, чем просвечивающего электронного микроскопа.
В последние годы для оценки металлургического качества металла, 
изучения закономерностей процесса разрушения, влияния структурных, технологических и других факторов на разрушение широко 
применяют методы фрактографии — области знания о строении 
изломов, характеризующих механизм разрушения.
Под  и з л о м о м  п о н и м а ю т  п о в е р х н о с т ь ,  о б р а з у ю щ у ю с я  в  р е з у л ь т а т е  р а з р у ш е н и я  м е т а л л а.  Вид 
излома определяется условиями нагружения, кристаллографическим 
строением и микроструктурой металла (сплава), формируемой технологией его выплавки, обработки давлением, термической обработки, 
температурой и средой, в которых работает конструкция.
Изломы изучают на макрои микроуровне (при увеличениях до 
50 тыс. крат и выше). Метод визуального изучения изломов, а также с помощью светового микроскопа при небольших увеличениях 
называется фрактографией. Исследование особенностей тонкой 
структуры изломов под электронным или растровым микроскопом 
носит название м и к р о ф р а к т о г р а ф и и  (рис. 2, г).
Для изучения атомнокристаллического строения металлов и 
сплавов применяют рентгеноструктурный анализ. Он основан на 
дифракции рентгеновских лучей с очень малой длиной волны (0,02–
0,2 нм) рядами атомов в кристаллическом теле. Для этой цели, кроме 
рентгеновских лучей, используют электроны и нейтроны, которые 
также дают дифракционные картины при взаимодействии с ионами 
(атомами) металла.
В металловедении все шире для изучения распределения примесей и специально введенных элементов в сплавах применяют 
метод р е н т г е н о с п е к т р а л ь н о г о  м и к р о а н а л и з а  (РСМА). 
С помощью РСМА определяют химический состав микрообластей 
на металлографическом шлифе, при этом достигается разрешение 
порядка микрометров.
Нередко для изучения строения металлов и сплавов используют 
физические методы исследования (тепловые, объемные, электрические, 
магнитные). В основу этих исследований положена взаимосвязь между изменениями физических свойств и процессами, происходящими 
в металлах и сплавах при их обработке или в результате тех или иных 
воздействий (термических, механических и др.). Наиболее часто 
используют д и ф ф е р е н ц и а л ь н ы й  т е р м и ч е с к и й  а н а л и з 
(построение кривых охлаждения в координатах температура — время) и  д и л а т о м е т р и ч е с к и й метод, основанный на изменении 
объема при фазовых превращениях. Для ферромагнитных материалов 
применяют  м а г н и т н ы й  а н а л и з.

АТОМНО- КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Под а т о м н о к р и с т а л л и ч е с к о й  с т р у к т у р о й  п о н и м а ю т  в з а и м н о е  р а с п о л о ж е н и е   а т о м о в   ( и о н о в ) , 
с у щ е с т в у ю щ е е   в   р е а л ь н о м  к р и с т а л л е.
В твердом состоянии металл представляет собой совокупность 
закономерно расположенных в кристалле положительно заряженных 
ионов, связанных между собой свободными или коллективизированными электронами. Связь в металле осуществляется электростатическими силами. Между ионами и коллективизированными 
электронами проводимости возникают электростатические силы 
притяжения, которые стягивают ионы. Такая связь называется м е т а л л и ч е с к о й.
Силы связи в металлах определяются силами отталкивания и 
силами притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) 
располагаются на таком расстоянии один от другого, при котором 
сила взаимодействия минимальна. Как видно из рис. 3, этому положению соответствует равновесное состояние а0. Сближение атомов 
(ионов) на расстояние меньше а0 или удаление их на расстояние 
больше а0 осуществимо лишь при совершении определенной работы 
против сил отталкивания и притяжения. Поэтому в металле а т о м ы 
р а с п о л а г а ю т с я  з а к о н о м е р н о ,  о б р а з у я  п р а в и л ь н у ю 
к р и с т а л л и ч е с к у ю  р е ш е т к у ,  ч т о  с о о т в е т с т в у е т  м и н и м а л ь н о й  э н е р г и и  в з а и м о д е й с т в и я  а т о м о в.
Кристаллическая решетка (рис. 4) состоит из воображаемых линий и плоскостей, проходящих через точки расположения ионов в 
пространстве. Ионы в узлах кристаллической решетки колеблются 
с частотой порядка 1013 колебаний/секунду. Это движение не пре
Рис. 3. Схема взаимодействия двух атомов 
в зависимости от межатомного расстояния a

кращается даже при температуре, близкой 
к абсолютному нулю. Жирными линиями 
выведен наименьший параллелепипед, 
последовательным перемещением которого 
вдоль трех своих осей может быть построен 
весь кристалл.
Этот наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре 
металла в любом объеме, получил название 
э л е м е н т а р н о й  к р и с т а л л и ч е с к о й 
я ч е й к и.
Для однозначной ее характеристики необходимо знать три ребра (a, b и c) и три угла 
между осями α, β и γ (см. рис. 4).
Большинство металлов образует одну из 
следующих высокосимметричных решеток 

Рис. 4. Схема кристаллической решетки

с плотной упаковкой атомов: кубическую объемноцентрированную, 
кубическую гранецентрированную и гексагональную (рис. 5).
Большинство металлов образует одну из следующих высокосимметричных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую 
объемноцентрированную, кубическую гранецентрированную и 
гексагональную (рис. 5).

Как видно из рис. 5, а, в  к у б и ч е с к о й  о б ъ е м н о ц е н т р и р о в а н н о й  р е ш е т к е  ( о . ц . к .) атомы расположены в углах 
куба и один атом в центре объема куба. Кубическую объемноцент
Рис. 5. Кристаллические решетки металлов:
а и б — кубическая объемноцентрированная 
(о.ц.к.); в — кубическая гранецентрированная (г.ц.к.); г — гексагональная плотноупакованная