Материаловедение и технология материалов

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
И ТЕХНОЛОГИЯ 
МАТЕРИАЛОВ

И.Т. СУХОПЯТКИНА

Москва
ИНФРА-М
2021

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

3-е издание, дополненное

ЧЕРНОМОРСКОЕ ВЫСШЕЕ 
ВОЕННО-МОРСКОЕ УЧИЛИЩЕ 
ИМЕНИ П.С. НАХИМОВА

УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3я73
 
С91

Сухопяткина И.Т.
С91  
Материаловедение и технология материалов : учебное пособие / 
И.Т. Сухопяткина. — 3-е изд., доп. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 
396 с. — (Военное образование).  
ISBN 978-5-16-015292-9 (print)
ISBN 978-5-16-107753-5 (online)
Учебное пособие написано в соответствии с типовой программой курса «Материаловедение и технология материалов» для непрофилирующих 
специальностей вузов. В нем дана классификация металлических и неметаллических материалов, приведены особенности строения и свойств сталей, чугунов, цветных металлов и сплавов, композитов, а также их маркировка.
Изложены сведения о термической и химико-термической обработке 
металлов и сплавов, рассмотрены основные виды технологической обработки давлением, резанием, сваркой и пайкой.
Предназначено для курсантов высших военно-морских учебных заведений и студентов высших технических учебных заведений. 

УДК 620.22 (075.8)
ББК 30.3я73

Рекомендовано к изданию Ученым советом Черноморского 
высшего военно-морского училища имени П.С. Нахимова

А в т о р:
И.Т. Сухопяткина, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры физики и общетехнических дисциплин Черноморского высшего военно-морского училища имени П.С. Нахимова
Р е ц е н з е н т ы:
А.И. Бохонский, доктор технических наук, профессор кафедры механики и машиноведения Севастопольского государственного университета;
Д.Я. Копп, доктор технических наук, профессор кафедры приборных систем и автоматизации технологических процессов Севастопольского государственного университета

ISBN 978-5-16-015292-9 (print)
ISBN 978-5-16-107753-5 (online)

© Черноморское высшее 
военно-морское училище 
имени П.С. Нахимова, 
2021

Введение

Надежность и долговечность изделий напрямую зависят от материала, из которого они изготовлены. Вот почему очень важно знать 
природу применяемых материалов, их свойства и способы обработки. Знание свойств материалов имеет большое значение при ремонте судовых конструкций. Прикладная наука о связи состава, 
строения и свойств материала называется материаловедением. 
Ее развитие влияет на решение всех проблем, связанных с применением материалов при создании судовых машин, механизмов, 
приборов. Важнейшие из них — экономия материалов, уменьшение 
массы, увеличение надежности и долговечности машин и приборов.
Материаловедение непрерывно развивается и совершенствуется, 
что дает возможность не только получать прочные и легкие материалы, но и создавать их комбинации с очень высокими характеристиками. К таким материалам можно отнести полупроводники 
и пластические массы, композиционные материалы и металлокерамику, жидкие кристаллы, аморфные сплавы и сверхпроводящую 
керамику.
Большой вклад в развитие науки о материалах внесли отечественные и зарубежные ученые. Здесь в первом ряду стоит имя 
замечательного ученого П.П. Аносова (1799—1851 гг.). Он первым 
применил микроскоп для изучения структуры стали и установил 
связь между строением стали и ее свойствами. Во всем мире признаны заслуги основоположника научного металловедения выдающегося ученого-металлурга Д.К. Чернова (1839—1921 гг.), 
открывшего полиморфизм стали и разработавшего диаграмму состояния железо — углерод.
В начале ХХ в. большую роль для развития металловедения 
сыграли работы Н.С. Курнакова, который применил для исследования металлов методы физико-химического анализа.
Фундаментальные основы современного физического металловедения заложены работами Г.В. Курдюмова, А.А. Бочвара, 
А.А. Байкова, В.И. Данилова, Н.А. Минкевича, С.С. Штейнберга, 
С.Т. Конобеевского, С.Т. Кишкина, А.П. Гуляева и других.
В изучении железоуглеродистых сталей и термической обработки большое значение имели работы А. Ле-Шателье и Ф. Осмонда (Франция), Р. Аустена, У. Юм-Розери и Н. Мотта (Англия). 
Широко известны в этой области работы немецких ученых М. Лауэ 
и П. Дебая, ученых США Э. Бейна и Р. Мейла.

Крупнейший ученый-химик А.М. Бутлеров создал химическую 
теорию органических соединений, что явилось основой для получения синтетических полимерных соединений. Первым в мире 
С.В. Лебедев создал промышленное производство синтетического 
каучука. Над созданием полимерных материалов работали немецкий ученый К. Циглер и ученый из Италии Д. Натта.
В последние годы развитие материаловедения идет по пути создания принципиально новых материалов на основе изучения конструкций, существующих в природе. Однако и при традиционных 
методах получения металлов и других материалов на основе автоматизации производственных процессов добиваются конкретного 
улучшения технологий получения сталей и сплавов.
Совершенно очевидно, что получение материалов и их дальнейшее использование тесно связаны. Известны случаи, когда 
новый материал не находит применения, поскольку его невозможно обработать. В то же время разработка новых технологий, 
приборов и оборудования вызывает появление принципиально 
новых материалов. Так, порошковая металлургия, лазерная техника, применение плазмы дали возможность не только получить 
новые материалы, но и улучшить качество ранее выпускавшихся 
сталей, цветных сплавов и других материалов.
Материаловедение является одной из базовых дисциплин 
для изучения сопротивления материалов, теории механизмов 
и машин, деталей машин, устройства судна, судовых паросиловых 
и дизельных энергетических установок, паровых и газовых турбин, 
двигателей внутреннего сгорания, вспомогательных механизмов 
и систем.
При изучении дисциплины «Материаловедение» обучающийся 
должен:
знать
 
– материалы, применяемые в технике и их свойства;
 
– определения основных характеристик механических свойств 
металлов и их сплавов;
 
– строение, свойства и применение металлических, неметаллических и композиционных материалов: теорию сплавов, диаграммы состояния сплавов, углеродистые и легированные 
стали, чугуны, цветные металлы и сплавы, порошковые 
и электроизоляционные материалы;
 
– основные свойства углеродистых и легированных сталей, чугунов и их применение;
 
– основные свойства цветных металлов и их сплавов и их применение;

 
– основные свойства электроматериалов и полупроводников 
и их применение в оборудовании;
 
– теорию и современные способы воздействия на свойства материалов: термическую обработку материалов, химико-термическую обработку, легирование металлов и сплавов;
 
– основные способы и технологию обработки материалов резанием, дуговой и газовой сваркой, пайкой;
уметь
 
– различать металлы и сплавы по внешним признакам;
 
– расшифровать марки углеродистых, легированных сталей, 
чугунов, цветных металлов и сплавов, специальных материалов;
 
– выполнять сварочные, станочные и слесарные операции обработки материалов, используемые при ремонте техники;
 
– использовать вычислительную технику для определения характеристик основных механических свойств материалов;
владеть
 
– навыками по определению структуры и свойств металлов 
и сплавов по их маркировке;
 
– основными методами обработки экспериментальных данных 
и оценки полученных результатов (анализ влияния основных видов термической обработки на твердость металлов 
и сплавов);
 
– навыками назначения видов термической обработки металла 
согласно требуемым параметрам механических свойств материалов.

Раздел I.

УГЛЕРОДИСТЫЕ И ЛЕГИРОВАННЫЕ 

СТАЛИ И ИХ ТЕРМООБРАБОТКА

Глава 1.

СТРОЕНИЕ МЕТАЛ ЛОВ

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

Из всех материалов, применяемых в современной технике, 

главное место занимают металлы. 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. Металловедение позволяет выбирать технически целесообразные и экономически выгодные металлы и сплавы для конкретных условий эксплуатации; 
разрабатывать новые сплавы; изменять в требуемых направлениях 
свойства уже используемых материалов и сплавов; применять наиболее рацио нальные режимы и методы термической обработки. 
В этом и заключается наряду с теоретической и практическая ценность металловедения.

По объему и частоте использования металлов в технике 

их можно разделить на металлы технические и редкие. К техническим относят наиболее часто применяемые металлы — железо Fe, 
медь Сu, алюминий Аl, магний Mg, никель Ni, титан Ti, свинец Рb, 
цинк Zn, олово Sn. Все остальные металлы — редкие (ртуть Hg, натрий Na, серебро Ag, золото Аu, платина Pt, кобальт Со, хром Сr, 
молибден Мо, тантал Та, вольфрам W и др.).

Железо в чистом виде используется чрезвычайно редко. Обычно 

используют железоуглеродистые сплавы (Fe — C) — стали и чугуны, которые образуют группу черных металлов. Все остальные 
представляют группу цветных металлов. На долю черных металлов 

приходится около 85% всех производимых металлов, а на долю 
цветных — около 15%. По сравнению с цветными металлами стоимость железа и его сплавов невелика.
Металлы — это химические элемен ты, характерными признаками которых являются:
 
– высокая тепло- и электропроводность;
 
– способность отражать электромагнитные волны (в связи 
с этим проявляется металлический блеск и непрозрачность);
 
– повышенная способность к пластическому деформированию 
(т.е. способность изменять свою форму без нарушения 
сплошности);
 
– термоэлектронная эмиссия (способность испускать электроны 
при нагреве).
По физико-химическим свойствам металлы можно разделить 
на шесть основных групп.
Магнитные — железо Fe, кобальт Co, никель Ni — обладают 
ферромагнитными свойствами. Сплавы на основе железа (стали 
и чугуны) являются главными конструкционными материалами; 
сплавы на основе Fe, Co и Ni — основными магнитными материалами (ферромагнетиками).
Тугоплавкие — металлы, у которых температура плавления 
выше, чем у железа Fe (1539°C). К ним относят вольфрам W 
(3380°C), тантал Та (2970°C), молибден Мо (2620°C), хром Сr 
(1900°C), платину Pt (1770°C), титан Ti (1670°C) и др. Применяют 
их как самостоятельно, так и в виде добавок в стали, работающие, 
в частности, при высокой температуре.
Легкоплавкие имеют Тпл ниже 500°C. К ним относятся цинк Zn 
(419°C), свинец Рb (327°C), кадмий Cd (321°C), таллий Тl (303°C), 
висмут Bi (271°C), олово Sn (232°C), индий In (156°C), натрий Na 
(98°C), ртуть Hg (–39°C) и др. Назначение их самое различное: антикоррозионные покрытия, антифрикционные сплавы, проводниковые материалы.
Из тугоплавких и легкоплавких металлов перечислены наиболее 
распространенные, хотя известны и такие тугоплавкие металлы, 
как, например, рений Re (3180°C), осмий Os (3000°C), ниобий Nb 
(2470°C), а из легкоплавких — литий Li (180°C), калий К (68°C), 
рубидий Rb (39°C), цезий Cs (28°C).
Легкие металлы имеют плотность не более 2,75 г/cм 3. К ним относится алюминий Аl, плотность — 2,7; цезий Cs — 1,90; бериллий 
Be — 1,84; магний Mg — 1,74; рубидий Rb — 1,53; натрий Na — 0,97; 
литий Li — 0,53 и др. Эти металлы применяют для производства 
сплавов, используемых в конструкциях с ограничениями по массе.

Благородные — в электротехнике применяют золото Аu, серебро Ag, платину Pt, палладий Pd, а также металлы платиновой 
группы: иридий Ir, родий Rh, осмий Os, рутений Ru. Эти металлы 
и сплавы на их основе обладают высокой химической стойкостью, 
в том числе и при повышенных температурах. Их используют 
в производстве ответственных контактов, выводов интегральных 
микросхем и других полупроводниковых приборов, термометров 
сопротивления и термопар, нагревательных элемен тов, работающих 
в особых условиях.
Редкоземельные — лантаноиды (церий Се, празеодим Рr, неодим Nd, самарий Sm, а также сходные с ними иттрий Y, скандий 
Sc и др.). Их применяют как присадки в различных сплавах.
Классифицируются металлы и по другим признакам, например, 
в электротехнике по значению электропроводности: хорошо и плохо 
проводящие электрический ток. К хорошо проводящим относится 
большинство металлов, они хорошо проводят электрический ток 
и пластичные. К плохо проводящим — элемен ты V группы периодической системы Д.И. Менделеева — это висмут Bi, сурьма Sb, мышьяк As. Они плохо проводят ток и хрупкие, их иногда называют 
полуметаллами.

1.2. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ МЕТАЛЛОВ

Прежде чем приступить к изготовлению деталей из какого-либо 
металла или сплава, они подвергаются всестороннему контролю. 
Целью такого контроля является выявление свойств металла 
или сплава.
Методы испытаний, применяемые в современной технике, 
весьма разнообразны.
В производственной практике наиболее распространены:
1. Механические испытания — определение механических 
свойств металлов и сплавов. Наиболее полные показатели механических качеств сплавов определяются испытаниями на растяжение 
и определение твердости.
2. Химический анализ — определение химического состава 
сплавов.
3. Технологические испытания и пробы — определение технологических свойств.
Это упрощенные способы испытания металлов, целью которых 
является выявление возможностей изготовления деталей из испытуемого металла или сплава. При технологических пробах определяют величину деформации. К ним относят испытания:

– на вытяжку (выдавливание);
 
– осадку;
 
– загиб сварных швов;
 
– загиб (с перегибом) проволоки и листов;
 
– закручивание проволоки;
 
– расплющивание заклепок;
 
– двойной замок жести.
Металл или сплав считается негодным, если при заданном режиме испытания в нем появляются трещины, надрывы, изломы 
или расслоения.
В целях более глубокого изучения свойств металлов и сплавов, 
кроме вышеупомянутых, применяются:
1. Методы металлографического анализа — изучение структуры 
металлов.
2. Физические методы испытаний, к которым относятся:
 
– рентгенографический анализ;
 
– спектральный химический анализ;
 
– термический анализ;
 
– электрические, магнитные испытания и др.
Наиболее часто используются три метода: макроанализ, микроанализ и рентгеноструктурный анализ.

1.3. АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

В XVIII в. М.В. Ломоносов впервые доказал кристаллическое 
строение золота и меди и их сходство с кристаллами солей.
Все металлы и металлические сплавы в твердом состоянии являются кристаллическими телами, в которых атомы занимают строго 
определенное пространственное положение. Свойства металлических сплавов зависят от электронного строения атомов, представляющих собой положительно заряженные ионы, окруженные 
электронами.
В отличие от металлов у аморфных веществ атомы расположены хаотически. К аморфным веществам относятся стекло, смола, 
пластмассы и др. При нагревании аморфные вещества переходят 
в жидкое состояние, постепенно размягчаясь, т.е. не имеют определенной точки плавления.
Различие свойств металлов и неметаллов обусловлено различным характером межатомной связи в этих материалах.

Типы межатомной связи
Для понимания свойств материалов и умения управлять ими 
необходимо разобраться в том, какие силы удерживают частицы 
вещества в твердых телах (кристаллах). Межатомная связь имеет 
электрическую природу, но проявляется она в разных кристаллах 
по-разному. Различают следующие основные типы связей: ионную, 
ковалентную, межмолекулярную и металлическую.
Тип связи влияет на механические свойства материала. 
В первую очередь на то, как проявляет себя материал при воздействии внешней нагрузки: будет ли он деформироваться или в процессе роста нагрузки разрушится хрупко (без предварительной деформации).
Кристаллы с ионной связью. Такие кристаллы (NaCl) состоят 
из разноименно заряженных ионов (Na+, Cl–), которые образуются в результате перехода электронов от атомов одного типа (Na) 
к атомам другого типа (Cl). Расстояние между центрами ионов 
в кристалле определяется уравновешиванием сил притяжения 
между анионами и катионами и сил отталкивания их электронных 
оболочек. Кристаллы с ионной связью хрупки.
Кристаллы с ковалентной связью. Этот тип связи проявляется при образовании молекул из атомов одного элемента (О2, Cl2, 
Н2 и др.) и осуществляется обобществлением валентных электронов соседних атомов. Преимущественно ковалентная связь имеет 
место также между разнородными атомами в таких химических 
соединениях, как карбиды (Fe3C, SiC), нитриды (AlN), которые 
имеют большое значение в технических сплавах. Характерными 
свойствами для кристаллов с такой связью являются малая плотность, высокая хрупкость, в ряде случаев очень высокая твердость 
(алмаз, карбиды, нитриды).
Кристаллы с межмолекулярным типом связи. Они образуются между нейтральными молекулами (Н2, N2, СО2, Н2О, СН4) 
в закристаллизованном (твердом) состоянии. Силы притяжения 
и отталкивания в этом случае имеют электромагнитную и квантовую природу. Действие сил Ван-дер-Ваальса достаточно слабое, 
по это му межмолекулярные соединения имеют низкую температуру 
плавления.
Кристаллы с металлическим типом связи. Металлический 
тип связи характеризуется тем, что при сближении атомов валентные электроны теряют принадлежность к отдельным атомам 
и становятся общими, образуя так называемый «электронный газ». 
Связь в этом случае определяется электростатическим притяжением между положительно заряженным ионным скелетом и отри