Металловедение

УДК 669.017(075)
ББК 34.2
В58

Р е ц е н з е н т ы:

М.С. Мишин (Всероссийский государственный колледж строительства мостов
и гидротехнических сооружений), О.В. Юсова (Саратовский институт (филиал)
Российского государственного торговоэкономического университета)

Власов, В.С.
Металловедение : учебное пособие / В.С. Власов. – М. :
АльфаМ : ИНФРАМ, 2018. – 336 с. : ил. – (ПРОФИль).

ISBN 9785982811677 (АльфаМ)
ISBN 9785160035895 (ИНФРАМ)

Рассматриваются электронное строение и свойства металлов, кристаллизация, пластическая деформация и процессы при нагреве деформированного металла. Приводятся структурные и физические методы исследований, контроля качества и определения механических свойств металлов, а
также сведения об углеродистых и легированных сталях, чугунах, сплавах,
антифрикционных, порошковых и композиционных материалах. Особое
внимание уделяется перспективам применения новых материалов.
Для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по специальности 150408 «Металловедение и термическая обработка металлов».

УДК 669.017(075)
ББК 34.2

© «АльфаМ» : «ИНФРАМ», 2015

В58

ISBN 9785982811677 (АльфаМ)
ISBN 9785160035895 (ИНФРАМ)

Власов В.С.
В58  Металловедение : учебное пособие / В.С. Власов. – 
Москва : Альфа-М : ИНФРА-М, 2020. – 336 с. : ил. – 
(ПРОФИль).

МЕТАЛЛЫ, ИХ СТРОЕНИЕ
И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

§ 1.1. Металлы и их электронное строение

В настоящее время Периодическая система
элементов Д.И. Менделеева насчитывает 106 элементов, среди
которых большая часть – металлы.
Металлы в твердом и частично жидком состоянии имеют
более или менее выраженные металлические свойства: высокие электрическую проводимость и теплопроводность; большую по отношению к световому излучению отражательную
способность, т.е. металлы непрозрачны и обладают характерным металлическим блеском; повышенной способностью к
пластической деформации. М.В. Ломоносов еще в XVIII в. дал
металлам определение: «металлы суть светлые тела, которые
ковать можно».
Общим для металлов является характер зависимости электрической проводимости от температуры: с повышением температуры электрическая проводимость их уменьшается, а электрическое сопротивление (далее – сопротивление) возрастает,
другими словами, металлы имеют положительный температурный коэффициент сопротивления. Примерно 30 металлов обладают сверхпроводимостью: при температурах, близких к абсолютному нулю (–273 С), сопротивление падает скачкообразно практически до нуля.
Свойства металлов объясняются особенностями их строения:
распределением и характером движения электронов в атомах;
расположением атомов, ионов и молекул в пространстве; размерами, формой и характером кристаллических образований.
С особенностями атомного строения связан характер взаимодействия металлов, их способность образовывать различного рода соединения, в которые входят несколько металлов, металлы и неметаллы.

Строение атомов. Атомы состоят из положительно заряженного ядра (определенного числа протонов и нейтронов) и с огромной скоростью движущихся вокруг него отрицательно
заряженных электронов. Число электронов в атоме равно положительному заряду ядра (поэтому атом электрически нейтрален) и соответствует порядковому номеру элемента в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева.
Электроны движутся по круговым или эллиптическим орбитам: чем больше радиус орбиты, тем выше энергетический
уровень электрона. Электроны каждого атома распределены
по энергетическим уровням (электронным слоям).

Номер слоя, начиная от ядра, обозначают порядковым числом – 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 (рис. 1.1). Число слоев (орбит) атома равно
номеру периода в Периодической системе, в котором расположен данный металл.
Каждый слой электронов разделен на подгруппы в зависимости от энергетического уровня электронов. Подгруппы в
слое обозначают буквами, например: подгруппы 0, 1, 2, 3 имеют буквенные обозначения s, p, d, f. Номер слоя указывается
перед буквенным обозначением подгруппы; так, электроны в
четвертом слое обозначаются 4s, 4p, 4d, 4f.

6
Глава 1. Металлы, их строение и кристаллизация

Слой 3

Слой 2

Слой 1

11 протонов

11 нейтронов

Рис. 1.1. Схематическое строение атома натрия

По мере нарастания заряда атомных ядер у металлов происходит последовательное заполнение электронных слоев. Однако у некоторых элементов при наличии еще незаполненного
слоя или подгруппы начинается заполнение более высоких
групп или слоев. Металлы, у которых не заполнен предпоследний электронный уровень, называются переходными (например, железо, титан, хром).

Электронное строение и свойства металлов. Электроны различных слоев и в пределах слоя разных подгрупп значительно
различаются по уровню энергии: чем больше номер слоя (чем
дальше он от ядра), тем выше энергия электронов. То же можно сказать и об электронах в подгруппах: чем больше номер
подгруппы, тем выше уровень энергии электронов. При этом в
нулевой и первой подгруппах (s и р) энергетические уровни
близки друг к другу, а во второй и третьей подгруппах (или s и p)
они резко увеличиваются и могут даже входить в область уровней энергии следующего слоя.
Электроны распределяются по слоям и подгруппам, но не
исключается возможность их перемещения из одного слоя в
другой, из одной подгруппы в другую. В реальных твердых веществах атомы находятся на очень близких расстояниях и
взаимодействуют между собой. Прежде всего взаимодействуют
электроны, обладающие наибольшей энергией и называемые
валентными. В результате их взаимодействия меняются энергия и распределение в пространстве валентных электронов, а
сами атомы размещаются один относительно другого в определенном порядке.
Некоторые химические элементы имеют атомы с недостроенными последними электронными оболочками, поэтому
часть валентных электронов легко переходит на более высокие
энергетические подуровни, т.е. отрывается от «своих» атомов,
которые превращаются в положительно заряженные ионы.
Оказавшиеся свободными электроны в твердом веществе
называют электронным газом. Такие электроны коллективно
«обслуживают» всю упорядоченно расположенную систему
ионов, при этом общая система ионов и электронов остается
электрически нейтральной.

§ 1.1. Металлы и их электронное строение
7

Электрическое взаимодействие положительно заряженных
ионов и коллективизированных электронов определяет устойчивость металла. Подобное взаимодействие между ионным
скелетом
и
электронным
газом
называют
металлической
связью.
Соотношение сил отталкивания и сил притяжения между
ионами и электронами зависит от силы связи в металлах. Как
следует из рис. 1.2, атомы (ионы) располагаются на таком расстоянии R0, при котором сила их взаимодействия минимальна.

Электронное строение элементов определяется Периодической системой элементов Д.И. Менделеева. Элементы одной
группы обладают сходством в электронном строении, т.е. у них
на внешних орбитах имеется одинаковое число электронов
(валентные электроны). В полном соответствии со сходством в
электронном строении элементы одной группы имеют сходные свойства. К таким периодически изменяющимся свойствам элементов относятся твердость, абсолютная температура
плавления, средний коэффициент теплового расширения,
атомный объем.

8
Глава 1. Металлы, их строение и кристаллизация

R

–F

+F

R0

1

2

3

Сила взаимодействия

Рис. 1.2. Зависимость силы F взаимодействий двух атомов от межатомного
расстояния R:
1 – сила отталкивания; 2 – суммарная сила взаимодействия; 3 – сила притяжения

§ 1.2. Металлы, их свойства и кристаллическое
строение

Все металлы и металлические сплавы – кристаллические тела: атомы (ионы) расположены в металлах закономерно, образуя пространственную кристаллическую решетку, характеризуемую наличием каркаса из малоподвижных
положительно заряженных ионов, в промежутках которого
движутся свободные электроны.
В пространстве атомы металлов располагаются в геометрически правильном порядке, соприкасаясь внешними электронными сферами.
Если через атомы в кристаллических решетках провести
плоскости, то атомы в них будут располагаться в геометрически правильном порядке, образуя кристаллографические плоскости.
Наименьший объем металла, который характеризует атомнокристаллическое строение всего объема, называется элементарной кристаллической ячейкой.
Кристаллические решетки металлов могут быть разных типов. Наиболее распространены решетки объемно центрированная кубическая (рис. 1.3, а, б), гранецентрированная кубическая
(рис. 1.3, в, г), гексагональная плотноупакованная (рис. 1.4).
В объемно центрированной кубической решетке атомы
расположены в вершинах куба и центре объема куба. Каждый
угловой атом входит в восемь соседних ячеек, т.е. одной ячейке
принадлежит от угловых атомов только 1/8 атома, лишь внутренний атом целиком принадлежит данной ячейке. Следовательно, на одну ячейку такой решетки приходится 81/8 + 1 = 2
атома. Объемно центрированную кубическую решетку имеют
металлы: Li, Na, К, V, Сr, Fe, Rb, Kb, Mo, W и др.
В гранецентрированной кубической решетке атомы расположены в вершинах и центрах каждой грани куба. На одну
ячейку приходится 81/8 + 61/2 = 4 атома. Такую решетку имеют
металлы: Al, Ca, Ni, Cu, Pb, Ag, Pt, Au, Pd и др.
В гексагональной плотноупакованной решетке элементарная ячейка – шестигранная призма, в которой атомы находятся в вершинах и в центре оснований призмы, а также внутри

§ 1.2. Металлы, их свойства и кристаллическое строение
9

призмы. На одну ячейку кристаллической решетки приходятся
6 атомов: 2 атома, лежащие в центре шестиугольников, входят в
две соседние ячейки (21/2) – 1 атом, а 12 атомов, образующие
вершины призмы, – в 6 соседних ячеек (121/6) = 2 атома; 3 атома, лежащие внутри призмы, целиком принадлежат данной
ячейке (31 = 3 атома). В гексагональной системе кристаллизуются Be, Ni, Cd, Ti, Co, Zn и другие металлы.

На рис. 1.3 и 1.4 показано условное изображение кристаллических решеток. В действительности линий, соединяющих
атомы в узлах решеток, нет. Атомы соприкасаются один с другим, так как только при этом условии возможен переход внешних электронов одного атома на внешние орбиты других атомов, что и представляет собой электронный газ. Если бы атомы
находились на больших расстояниях один от другого, то никакого обмена внешними электронами не было. Различные типы

10
Глава 1. Металлы, их строение и кристаллизация

а
б

в
г

Рис. 1.3. Типы и ячейки кристаллических решеток в металле:
а – объемно центрированная кубическая решетка; б – ячейка объемно центрированной кубической решетки; в – гранецентрированная кубическая решетка;
г – ячейка гранецентрированной кубической решетки