Материаловедение

 
 
 
 
 
 
 
 
ÌÀÒÅÐÈÀËÎÂÅÄÅÍÈÅ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2020 
1 
 

УДК 620.22 
ББК 30.3 
        М34 
А в т о р ы :  
С. В. Давыдов, Д. А. Болдырев, Л. И. Попова, М. Н. Тюрьков 
М34 
 
Материаловедение : учебное пособие / [С. В. Давыдов и др.]. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. – 424 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-0417-4 
Рассмотрены применяемые в технике металлические, неметаллические и 
композиционные материалы, предложена их классификация, раскрыты особенности строения и свойства. Показаны закономерности изменения строения, свойств 
и работоспособности различных материалов в зависимости от состава, способов 
обработки и условий эксплуатации. 
Для студентов, аспирантов и преподавателей машиностроительных специальностей. 
УДК 620.22 
ББК 30.3 
ISBN 978-5-9729-0417-4 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
2 

ÎÃËÀÂËÅÍÈÅ 
 
ÂÂÅÄÅÍÈÅ 
................................................................................................................................ 
8 
1. Êðèñòàëëè÷åñêîå ñòðîåíèå òâ¸ðäûõ òåë 
........................................................................... 
9 
1.1. Масштабные уровни строения материалов.  
Понятие «свойство материала» 
.................................................................................. 9 
1.2. Кристаллические и аморфные вещества.  
Модель ближнего взаимодействия атомов ............................................................. 13 
1.3. Типы кристаллических решеток и их характеристики ........................................... 15 
1.4. Индексы кристаллографических плоскостей и направлений 
................................. 21 
2. Îñíîâíûå ñâîéñòâà êðèñòàëëîâ. Âèäû ñâÿçåé............................................................... 
24 
2.1. Анизотропия и полиморфизм кристаллов 
................................................................ 24 
2.2. Типы связей в кристаллах, их особенности и влияние на свойства веществ 
........ 26 
2.2.1. Ионная связь 
........................................................................................................ 27 
2.2.2. Ковалентная связь 
............................................................................................... 28 
2.2.3. Металлическая связь .......................................................................................... 29 
2.2.4. Связь Ван-дер-Ваальса 
....................................................................................... 31 
3. Äåôåêòû êðèñòàëëè÷åñêîãî ñòðîåíèÿ è èõ âëèÿíèå íà ñâîéñòâà êðèñòàëëîâ 
........ 
33 
3.1. Термодинамические причины существования дефектов кристаллического 
строения 
...................................................................................................................... 33 
3.2. Геометрическая классификация дефектов кристаллического строения ............... 35 
3.3. Точечные дефекты ...................................................................................................... 36 
3.3.1. Механизмы образования точечных дефектов 
................................................. 37 
3.3.2. Температурная зависимость равновесной концентрации вакансий ............ 38 
3.4. Влияние вакансий на диффузионные процессы. Законы диффузии ..................... 39 
3.4.1. Законы диффузии................................................................................................ 40 
3.4.2. Зависимость коэффициента диффузии от температуры ............................... 41 
3.4.3. Механизмы диффузии 
........................................................................................ 42 
3.5. Линейные дефекты кристаллов ................................................................................. 44 
3.5.1. Теоретическая прочность кристаллов 
.............................................................. 45 
3.5.2. Дислокационная теория пластического сдвига в реальных кристаллах ..... 47 
3.5.3. Геометрия дислокаций 
....................................................................................... 50 
3.5.4. Взаимодействие дислокаций 
............................................................................. 53 
3.5.5. Виды движения дислокаций ............................................................................. 54 
3.5.6. Механизмы образования и размножения дислокаций 
................................... 55 
3.5.7. Взаимодействие дислокаций с точечными дефектами 
.................................. 57 
3.6. Поверхностные дефекты кристаллов 
........................................................................ 60 
3.7. Объёмные дефекты кристаллов 
................................................................................. 61 
4. Ìåõàíè÷åñêèå ÿâëåíèÿ â òâåðäûõ òåëàõ 
......................................................................... 
63 
4.1. Деформация монокристаллов. Стадийность деформации ...................................... 64 
4.2. Упругая деформация. Модули упругости ................................................................ 65 
4.2.1. Модуль сдвига и модуль Юнга 
......................................................................... 65 
4.2.2. Коэффициент Пуассона ..................................................................................... 66 
4.2.3. Объёмный модуль упругости 
............................................................................ 66 
4.3. Микро- и макроскопический аспекты пластической деформации.  
Эволюция ДСС. Ориентационный фактор Тейлора .............................................. 67 
3 
 

4.4. Истинные напряжения и деформации.  
Классификация остаточных напряжений 
................................................................ 75 
5. Ìåõàíèçìû ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè. Ôàêòîðû óïðî÷íåíèÿ 
................................. 
77 
5.1. Скольжение ................................................................................................................. 77 
5.2. Двойникование 
............................................................................................................ 78 
5.3. Механизм теоретической прочности ........................................................................ 79 
5.4. Ползучесть ................................................................................................................... 80 
5.4.1. Механизмы ползучести 
...................................................................................... 81 
5.4.2. Механические характеристики ползучести .................................................... 82 
5.5. Деформация поликристаллов и зернограничные механизмы деформации .......... 83 
5.6. Зернограничное упрочнение. Закон Холла – Петча.  
Технологические способы измельчения зерна в сплавах 
...................................... 86 
5.7. Факторы упрочнения .................................................................................................. 87 
5.7.1. Силы трения КР .................................................................................................. 88 
5.7.2. Деформационное упрочнение и его природа 
.................................................. 88 
5.7.3. Твёрдорастворное упрочнение ......................................................................... 90 
5.7.4. Дисперсионное упрочнение .............................................................................. 91 
6. Ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà è èõ õàðàêòåðèñòèêè 
............................................................... 
93 
6.1. Статические испытания металлов и сплавов.  
Испытание на одноосное растяжение при комнатной температуре .................... 93 
6.2. Методы определения твёрдости ................................................................................ 98 
6.2.1. Метод определения твёрдости по Бринеллю .................................................. 98 
6.2.2. Метод измерения твёрдости по Роквеллу ....................................................... 99 
6.2.3. Метод Виккерса и микротвёрдость 
................................................................ 100 
6.3. Динамические испытания металлов 
........................................................................ 101 
6.4. Усталостные испытания металлов .......................................................................... 104 
7. Òåîðèÿ ðàçðóøåíèÿ Ãðèôôèòñà 
..................................................................................... 
112 
7.1. Вязкое и хрупкое разрушение ................................................................................. 112 
7.2. Сравнительный анализ вязкого и хрупкого разрушений 
...................................... 115 
7.3. Фрактографический анализ 
...................................................................................... 116 
7.4. Вязко-хрупкий переход. Факторы, влияющие на хладноломкость ..................... 118 
8. Âëèÿíèå òåìïåðàòóðû íà ñâîéñòâà äåôîðìèðîâàííîãî ìåòàëëà ........................... 
122 
8.1. Рекристаллизация и её типы .................................................................................... 122 
8.2. Влияние степени предварительной деформации  
на размер рекристаллизованных зёрен 
.................................................................. 127 
8.3. Основные факторы, влияющие на температуру рекристаллизации.  
Горячая и холодная обработка металлов давлением ........................................... 128 
9. Òåðìîäèíàìè÷åñêèå îñíîâû ôàçîâûõ ïðåâðàùåíèé 
.................................................. 
130 
9.1. Основные понятия и закономерности термодинамики фазовых превращений . 130 
9.2. Кристаллизация и её типы ....................................................................................... 134 
9.2.1. Гомогенная кристаллизация 
............................................................................ 136 
9.2.2. Влияние степени переохлаждения на критический размер зародыша 
...... 139 
9.2.3. Гетерогенная кристаллизация ......................................................................... 140 
9.2.4. Вторичная кристаллизация 
.............................................................................. 143 
9.2.5. Кинетика кристаллизации. Кривые Таммана ............................................... 145 
9.3. Механизмы роста кристаллов 
.................................................................................. 148 
9.4. Кристаллизация слитка ............................................................................................ 151 
4 
 

10. Ôàçû â ñïëàâàõ 
................................................................................................................ 
154 
11. Äèàãðàììû ñîñòîÿíèÿ äâóõêîìïîíåíòíûõ ñèñòåì 
................................................... 
167 
11.1. Построение диаграмм состояния методом термического анализа (ТА).  
Правило фаз Гиббса ................................................................................................ 168 
11.2. Диаграмма состояния однокомпонентной системы ............................................ 171 
11.3. Анализ диаграмм состояния двухкомпонентных систем ................................... 173 
11.3.1. Диаграмма состояния первого рода для компонентов,  
нерастворимых в твердом состоянии. Правила коноды ......................... 173 
11.3.2. Диаграмма состояния второго рода для системы сплавов,  
компоненты которых образуют непрерывный ряд  
твёрдых растворов ....................................................................................... 180 
11.3.3. Диаграмма состояния с полиморфным превращением  
и неограниченной растворимостью компонентов  
в твёрдом состоянии .................................................................................... 181 
11.3.4. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых  
неограниченно растворимы в жидком состоянии,  
имеют ограниченную растворимость в твёрдом состоянии  
и при кристаллизации образуют эвтектику .............................................. 184 
11.3.5. Диаграмма состояния с конгруэнтно плавящимся устойчивым 
химическим соединением ........................................................................... 189 
11.3.6. Диаграмма состояния двойных сплавов с перитектическим  
и перитектоидным превращениями 
........................................................... 190 
11.3.7. Диаграмма состояния с инконгруэнтно плавящимся  
неустойчивым химическим соединением 
................................................. 192 
11.3.8. Диаграмма состояния с монотектическим превращением........................ 193 
11.3.9. Диаграмма состояния с метатектическим превращением ........................ 195 
11.3.10. Взаимосвязь между типом диаграммы состояния  
и свойствами сплавов .................................................................................. 196 
12. Àìîðôíûå ìåòàëëè÷åñêèå è íàíîêðèñòàëëè÷åñêèå ìàòåðèàëû 
............................ 
197 
12.1. Аморфные металлические материалы .................................................................. 197 
12.1.1. Свойства аморфных металлических стёкол  
и области их применения ............................................................................ 201 
12.1.2. Способы получения АМС ............................................................................. 202 
12.2. Наноматериалы, особенности их строения и свойства ....................................... 203 
12.2.1. Классификация наноматериалов .................................................................. 205 
12.2.2. Физические явления, обеспечивающие специфику  
свойств наноматериалов 
.............................................................................. 208 
12.2.3. Технологии получения наноматериалов ..................................................... 211 
12.2.4. Области применения наноматериалов 
......................................................... 213 
13. Äèàãðàììà ñîñòîÿíèÿ «æåëåçî – óãëåðîä.  
°ÑÏÒÉÑÒÏÍÍÀÏ¿ÆÍÁ¿ÌÇÄÐÑ¿ÊÄÈ 
..................................................................................... 
217 
13.1. Фазы, линии, критические точки 
........................................................................... 217 
13.2. Формирование равновесной структуры сталей при охлаждении ...................... 222 
13.2.1. Первичная кристаллизация сталей ............................................................... 222 
13.2.2. Перекристаллизация сталей .......................................................................... 225 
13.3. Зависимость свойств сталей в равновесном состоянии  
от содержания углерода 
.......................................................................................... 232 
13.4. Процессы, реализующиеся при нагреве стали.  
Наследственно крупно- и мелкозернистые стали ................................................ 233 
5 
 

13.5. Влияние примесей на процессы кристаллизации и свойства сталей. 
Рекомендации по их использованию 
..................................................................... 238 
«ÄÑ¿ÐÑ¿ÀÇÊÛÌ¿ÞÇÐÑ¿ÀÇÊÛÌ¿ÞÃÇ¿ÂÏ¿ËËÚÐÍÐÑÍÞÌÇÞŒÅÄÊÄÆÍ– óãëåðîä». 
Áåëûå è ãðàôèòèçèðîâàííûå ÷óãóíû 
.......................................................................... 
240 
14.1. Метастабильная диаграмма состояния «железо – цементит». 
Структурообразование белых чугунов 
.................................................................. 240 
14.2. Стабильная диаграмма состояния «железо – углерод».  
Структурообразование графитизированных чугунов 
.......................................... 244 
14.2.1. Классификация графитизированных чугунов  
и способы их получения 
.............................................................................. 247 
14.2.2. Особенности свойств графитизированных чугунов .................................. 250 
15. Ìîäèôèöèðîâàíèå ãðàôèòèçèðîâàííûõ êîíñòðóêöèîííûõ ÷óãóíîâ 
..................... 
254 
15.1. Понятие о модифицировании и его специфика ................................................... 254 
15.2. Модификаторы для графитизирующей обработки расплава чугуна ................. 264 
16. Ïðåâðàùåíèÿ â ñòàëÿõ ïðè îõëàæäåíèè 
.................................................................... 
279 
16.1. Диаграмма изотермического превращения аустенита ........................................ 279 
16.2. Влияние скорости охлаждения на структуру и свойства сталей 
........................ 282 
16.3. Мартенситное превращение: основные особенности, кинетика 
........................ 285 
16.4. Бейнитное превращение 
......................................................................................... 289 
±ÄÏËÇÖÄÐÉ¿ÞÍÀÏ¿ÀÍÑÉà (ÒÎ) 
........................................................................................ 
291 
17.1. Классификация видов ТО, основные технологические параметры, 
разновидности 
.......................................................................................................... 291 
17.2. Закалка углеродистых сталей ................................................................................ 294 
17.3. Мартенсит: особенности свойств, морфологические разновидности ............... 301 
17.4. Отпуск. Превращения при отпуске. Виды отпуска.  
Отпускная хрупкость .............................................................................................. 304 
17.5. Закалка без полиморфного превращения. Старение ........................................... 312 
17.5. Виды отжига и их назначение ............................................................................... 315 
17.6. Химико-термическая обработка (ХТО) стали 
...................................................... 320 
18. Ëåãèðîâàííûå ñòàëè 
....................................................................................................... 
328 
18.1. Примеси в сталях .................................................................................................... 328 
18.2. Классификация легирующих элементов и их влияние  
 на структуру и свойства сталей 
............................................................................. 329 
18.3. Классификация легированных сталей и особенности их ТО ............................. 334 
19. Êëàññèôèêàöèÿ ìàòåðèàëîâ ......................................................................................... 
340 
19.1. Основные признаки классификации материалов ................................................ 340 
19.2. Неметаллические и композиционные материалы 
................................................ 342 
19.3. Классификация и маркировка сталей ................................................................... 346 
19.4. Классификация и маркировка чугунов ................................................................. 357 
19.5. Классификация и маркировка порошковых материалов .................................... 357 
19.6. Классификация и маркировка цветных сплавов 
.................................................. 359 
19.6.1. Классификация и маркировка алюминиевых сплавов .............................. 359 
19.6.2. Классификация и маркировка медных сплавов 
.......................................... 361 
19.6.3. Классификация и маркировка титановых сплавов 
..................................... 364 
19.6.4. Классификация и маркировка магниевых сплавов .................................... 365 
6 
 

°ÎÄÕÇ¿ÊÛÌÚÄÁÍÎÏÍÐÚË¿ÑÄÏÇ¿ÊÍÁÄÃÄÌÇÞ 
................................................................. 
367 
20.1. Ключевые параметры получения чугунов.  
Усвоение магния из модификатора ....................................................................... 367 
20.2. Ферросиликомагний. Модификаторы и особенности получения ЧВГ  
(чугуна с вермикулярным графитом) и ВЧ (высокопрочного чугуна) .............. 369 
20.3. Технологии модифицирования чугунов ............................................................... 382 
20.4. Литейные дефекты в чугунах: практические примеры  
и рекомендации по их устранению 
........................................................................ 393 
20.5. Специальные вопросы модифицирующей обработки расплава чугуна ............ 409 
20.6. Контроль качества модификаторов 
....................................................................... 415 
20.7. Автоматизированная система термического анализа (ТА) ................................ 417 
 
 
7 
 

ÂÂÅÄÅÍÈÅ 
Материаловедение как наука изучает применяемые в технике металлические, неметаллические и композиционные материалы, изменение их строения, 
свойств и работоспособности в зависимости от состава, способов обработки  
и условий эксплуатации.  
Материаловедение является научной основой изыскания новых материалов 
с заданными свойствами.  
Данная дисциплина относится к математическому и естественно-научному 
циклу ООП. Изучение курса предполагает необходимость предварительного 
освоения студентом курсов физики и химии в объёме программы для студентов 
машиностроительных специальностей.  
Представления о структуре и свойствах материалов необходимы при проектировании конструкций и технологических процессов в практической деятельности инженеров-механиков и технологов. Комплексные исследования  
в области физики конденсированного состояния и диагностики материалов  
в ходе технического надзора невозможны без знания материаловедения.  
Знания по курсу «Материаловедение» востребованы при изучении многих 
инженерных дисциплин, например, таких как: 
 «Теория сварочных процессов»; 
 «Материаловедение сварки»; 
 «Методы исследования материалов и процессов»; 
 «Основы научных исследований»; 
 «Материалы и специальные покрытия в машиностроении»; 
 «Наноструктурированные материалы и технологии»; 
 «Теория обработки металлов давлением»; 
 «Технология машиностроения» и многих других специальных дисциплин.  
 
 
8 
 

1. Êðèñòàëëè÷åñêîå ñòðîåíèå òâ¸ðäûõ òåë 
1.1. «¿Ð×Ñ¿ÀÌÚÄÒÏÍÁÌÇÐÑÏÍÄÌÇÞË¿ÑÄÏÇ¿ÊÍÁ.  
Ïîíÿòèå «ñâîéñòâî ìàòåðèàëà» 
Материаловедение – это прикладная дисциплина, изучающая взаимосвязь 
между химическим составом, строением и свойствами материалов (рис. 1),  
а также способы целенаправленного изменения свойств через формирование 
структуры. Другими словами, химический состав определяет структуру, структура определяет свойства. Можно направленно изменить структуру материала 
какой-либо обработкой без изменения его химического состава и, соответственно, сформировать определенный комплекс свойств.  
 
Ðèñóíîê 1 – °ÒØÌÍÐÑÛ íàóêè ìàòåðèàëîâåäåíèÿ 
 
Свойство  это реакция тела на внешнее воздействие. В зависимости от 
типа внешнего воздействия различаются: 
 физические свойства, например, электропроводность, теплопроводность, теплоемкость; 
 механические свойства – это реакция материала на механическое 
внешнее воздействие. В зависимости от вида механического воздействия выделяются следующие основные механические свойства: упругость, прочность, твёрдость, пластичность, ударная вязкость, выносливость; 
 химические свойства. Например, в материаловедении важным химическим свойством является коррозионная стойкость; 
 технологические свойства, к которым относится обрабатываемость резанием и давлением, жидкотекучесть, прокаливаемость и многие другие.  
Технологические свойства материалов во многом определяют возможность 
производства, формообразования и обработки изделий.  
Все свойства определяются природой и строением материалов. Знание закономерностей строения и возможностей целенаправленного его изменения 
позволяет подбирать и создавать материалы с необходимым для конкретных 
условий эксплуатации изделий комплексом свойств.  
9 
 

Строение, или, иначе, структура материалов, представляет собой картину 
объёмного взаимного расположения отдельных составляющих системы.  
Различают 4 уровня структуры материалов: 
1. Макроструктура  это строение сплава, видимое невооруженным глазом или с лупой до 30-кратного увеличения. Пример макроструктуры сварного 
шва представлен на рис. 2, а.  
 
 
 
а 
б 
Ðèñóíîê 2 – Ìàêðîñòðóêòóðû ñâàðíîãî øâà (à) 
è óãëåðîäèñòîé ñòàëè À 
 
Макроскопический анализ пригоден для выявления в металле трещин, газовых пузырей, усадочной рыхлоты, шлаковых включений. Изучение макроструктуры сплавов позволяет определить структурные неоднородности, расположение волокон в поковках и штамповках, проверить качество сварного соединения. Для выявления ликвации серы и фосфора, структурных неоднородностей изготавливается макрошлиф: сначала отшлифовывается требуемый участок поверхности, после чего проводится его травление специальными химическими реактивами.  
Макроструктура может быть исследована непосредственно на поверхности 
заготовки или детали, в изломе или на специально вырезанном образце.  
2. Микроструктура  это зёрна или кристаллиты, видимые в световой оптический микроскоп при 50–2000-кратном увеличении. На рис. 2, б приведено 
изображение микроструктуры углеродистой стали.  
Для микроскопического анализа вырезается образец, из которого изготавливается микрошлиф с полированной поверхностью. Последней и необходимой 
операцией изготовления микрошлифа является травление растворами кислот или 
щелочей в зависимости от состава сплава. Именно травление позволяет выявить 
границы зёрен сплава. Методом микроскопического анализа определяются 
структурные составляющие сплавов, форма зёрен, их взаимное расположение, 
наличие неметаллических включений. Количественные методы микроанализа 
позволяют определять размер зёрен и объёмную долю различных составляющих.  
Следующими структурными уровнями являются субструктура и структура 
кристаллического строения.  
10