Основы материаловедения

А.А. ЧЕРЕПАХИН

УЧЕБНИК

Москва
КУРС

ИНФРА-М

2022

ОСНОВЫ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Рекомендовано в качестве учебника по профессиям:

2.15.01.23 «Наладчик станков и оборудования в механообработке»;

2.15.01.24 «Наладчик шлифовальных станков»;
2.15.01.25 «Станочник (металлообработка)»;

2.15.01.26 «Токарь-универсал»; 2.15.01.27 «Фрезеровщик-универсал»; 

2.15.01.28 «Шлифовальщик-универсал»; 2.15.01.30 «Слесарь»;

2.23.01.03 «Автомеханик»

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3я73
 
Ч46

Черепахин А.А.
Основы материаловедения : учебник / А.А. Черепахин. — Мо
сква: КУРС: ИНФРА-М, 2022. — 240 с. — (Среднее профессиональное образование).

ISBN 978-5-906923-12-7 (КУРС)
ISBN 978-5-16-012623-4 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102386-0 (ИНФРА-М, online)
Учебник написан в соответствии с требованием государственного обра
зовательного стандарта преподавания общепрофессиональной дисциплины «Основы материаловедения», и предназначен для подготовки специалистов машиностроительных профессий среднего профессионального 
образования по профессиям: 2.15.01.23 «Наладчик станков и оборудования в механообработке», 2.15.01.24 «Наладчик  шлифовальных станков», 
2.15.01.25 «Станочник (металлообработка)», 2.15.01.26 «Токарь-универсал», 2.15.01.27 «Фрезеровщик-универсал», 2.15.01.28 «Шлифовальщикуниверсал», 2.15.01.30 «Слесарь», 2.21.01.03 «Автомеханик».

В учебнике рассмотрено: кристаллическое строение металла, процессы 

кристаллизации, пластической деформации и рекристаллизации. Описаны фазы, образующиеся в сплавах, и диаграммы состояния, современные 
конструкционные, топливные и смазочные материалы. Изложены современные методы испытаний и критерии оценки конструктивной прочности 
материалов, методика подготовки образцов к испытаниям и проведения 
самих испытаний. Большое внимание уделено теории и технологии термической обработки. Даны практические рекомендации по выбору способа 
и режима термической и химико-термической обработки.

УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3я73

Р е ц е н з е н т:
Е.Е. Зорин — д-р техн. наук, профессор кафедры «Материаловеде
ние» ФГБОУ ВО «Московский политехнический университет»

Ч46

© Черепахин А.А., 2017
© КУРС, 2017

ISBN 978-5-906923-12-7 (КУРС)
ISBN 978-5-16-012623-4 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102386-0 (ИНФРА-М, online)

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

ВВедение

Материаловедением называется комплексная наука, изучающая 

зависимости между составом, внутренним строением и свойствами 
материалов, а также закономерности их изменения под воздействием 
внешних факторов: тепловых, механических, химических, электромагнитных, радиоактивных. Теоретические расчеты на основе соответствующих разделов физики и химии твердого тела не всегда могут 
дать однозначных ответов на поставленные практикой вопросы, поэтому в материаловедении большое значение имеют экспериментальные методы исследования строения и свойств материалов.

К числу важнейших свойств материалов относятся: механические 

(прочность, вязкость, твердость и др.); химические (сопротивление 
воздействию агрессивной среды); физические (электрические, магнитные, тепловые); технологические (жидкотекучесть, штампуемость, свариваемость, обрабатываемость резанием, прокаливаемость и др.).

Непрерывный рост уровня техники предъявляет все более высо
кие требования к эксплуатационным свойствам материалов различного назначения, а также к методам получения и обработки материалов. Современное материаловедение обобщает и использует результаты исследований отечественных и зарубежных ученых 
на основе физики и химии твердого тела, что позволяет разрабатывать новые конструкционные материалы и эффективные технологии 
их получения и обработки.

Работы отечественных ученых А.А. Бочвара, А.А. Байкова, 

Г.В. Курдюмова, В.Д. Садовского, В.А. Каргина внесли огромный 
вклад в развитие современной науки о материалах.

Все конструкционные материалы можно разделить на следующие 

группы: металлические материалы — к ним относят материалы 
и сплавы, которые подразделяются на черные (железо и его сплавы) 
и цветные (все остальные металлы и сплавы на их основе); неметаллические материалы (резина, пластмассы, стекло); древесные материалы; композиционные материалы, которые получают объединением 
в единое целое не менее двух разнородных материалов, часто 
не взаимодействующих друг с другом (могут быть на основе систем 
«металл — металл», «металл — неметалл», «неметалл — неметалл»).

Глава 1

Физико-химические 

осноВы металлоВедения

Из 126 описанных в Периодической системе Д.И. Менделеева 

химических элементов 85 относятся к металлам и обладают такими 
характерными свойствами, как:
• плотная кристаллическая структура; 
• высокая пластичность, ковкость, теплопроводность и электриче
ская проводимость;

• положительный температурный коэффициент электрического 

сопротивления (многие металлы обладают сверхпроводимостью 
при температурах, близких к абсолютному нулю, т.е. в области 
температур -273 °С);

• хорошая отражающая способность и, как следствие, характерный 

металлический блеск;

• непрозрачность;
• низкий уровень степени ионизации (электроны отделяются сво
бодно);

• способность к термоэлектронной эмиссии (испускание элект
ронов при нагревании);

• способность к образованию соединений (сплавы);
• растворимость (растворяются в сильных кислотах и едких щело
чах) и окисляемость (образование оксидов).
Все металлы, за исключением ртути, в обычных условиях — твер
дые кристаллические вещества, являющиеся хорошими проводниками теплоты и электрического тока. Эти свойства обусловлены 
наличием свободно перемещающихся электронов в кристаллической 
решетке. Более высокими техническими свойствами обладают 
не чистые металлы, а их соединения с металлами и неметаллами — 
сплавы, которые по составу и строению бывают разными (механическая смесь, твердый раствор или интерметаллическое соединение), 
но сохраняют важнейшие свойства металлов и называются металлическими материалами.

Примером широкого использования сплавов являются сталь — 

сплав железа с углеродом (добавки: Mn, Cr, Ni, Si, P, S); бронза — 

сплав меди с оловом (добавки: Zn, Pb, Al, Mn, Si); латунь — сплав 
меди с цинком (добавки: Zn, Mn, Al, Pb, Si); мельхиор, нейзильбер — 
сплавы меди с никелем; дюралюминий — сплав алюминия с медью 
(3–5%), марганцем (около 1%), магнием (около 1%); амальгамы — 
сплавы металлов, содержащие ртуть.

При описании каждого из этих сплавов, являющихся металличе
скими материалами, допустимо одновременное использование понятия «металл» (по металлу-основе, основные свойства которого 
наследуются или усиливаются).

1.1. кристаллическое строение 

металлических материалов

У всех металлов и сплавов атомы (ионы) расположены не хао
тично, а в определенном порядке, т.е. они имеют кристаллическое 
строение. При этом мелкие кристаллы (0,1–0,00001 мм) различно 
ориентированы по отношению друг к другу.

В твердом состоянии металл представляет собой систему из по
ложительно заряженных ионов, омываемых «газом» из свободных 
коллективизированных электронов. В системе действуют электростатические силы притяжения (металлическая связь) и силы отталкивания между электронами и ионами.

В качестве модели такого взаимодействия (рис. 1.1, а) можно при
нять два шара (ионы), между которыми находится пружина (сила 

R0

R

+F
+F

+F

−F

−F
−F

Сила взаимодействия

1

2

3
а)

б)

рис. 1.1. Модель (а) и силы (б) взаимодействия двух атомов:

1 — сила отталкивания (+F); 2 — суммарная сила взаимодействия; 3 — сила 
притяжения (-F); R — расстояние между атомами; R0 — равновесное со
стояние

взаимодействия). В состоянии равновесия расстояние между шарами R0. Если расстояние уменьшить и сжать пружину, то между шарами появится сила отталкивания (F), которая будет стремиться 
вернуть их в равновесное состояние. При увеличении расстояния 
появится сила притяжения (-F).

Атомы располагаются на таком расстоянии друг от друга, на ко
тором суммарная сила взаимодействия минимальна (равновесное 
состояние R0). Поэтому в металлах атомы располагаются закономерно, в геометрически правильном порядке, соприкасаясь внешними электронными сферами, образуя правильную кристаллическую 
решетку, соответствующую минимальной энергии взаимодействия. 
Кристаллическая решетка состоит из воображаемых линий и плоскостей, проходящих через точки расположения ионов в пространстве. Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом объеме, называется элементарной 
кристаллической ячейкой.

Большинство металлов имеет кристаллическую решетку трех ти
пов.

1. Объемно-центрированный куб — ОЦК (рис. 1.2, а). ОЦК имеют 

металлы Pb, K, Na, Li, Ti, Zrβ, W, Ta, Feα, Cr и др. 

2. Гранецентрированный куб — ГЦК (рис. 1.2, б). ГЦК имеют ме
таллы Feβ, Sr, Tn, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Cu, Coα и др. 

3. Гексагональная плотноупакованная решетка — ГПУ (рис. 1.2, в). 

ГПУ имеют металлы Mg, Tiα, Cd, Os, Zn, Coβ и др.

а)
б)

в)

a
a
b

a

рис. 1.2. Кристаллические решетки металлов:

а — объемно-центрированный куб — ОЦК; б — гранецентрированный куб — 
ГЦК; в — гексагональная плотноупакованная решетка — ГПУ; a и b — пе
риоды ячейки

Расстояние между центрами ближайших атомов в элементарной 

ячейке называется периодом ячейки. Он выражается в нанометрах 
(1 нм = 10-11 м). На одну элементарную ячейку ОЦК приходятся два 
атома: один в центре, другой — в вершине куба. На одну элементарную ячейку ГЦК приходятся четыре атома: один в вершине куба, 
а три — атомы, находящиеся в середине грани.

В разных сечениях (плоскостях) решетки число атомов неодина
ково. Поэтому свойства кристалла (механические, физические и химические) в различных направлениях неодинаковы. Это свойство 
кристаллов называется анизотропией.

1.2. дефекты кристаллической решетки

Реальный кристалл отличается от идеального. Он имеет структур
ные несовершенства (дефекты): точечные, линейные и поверхностные.

1.2.1. Точечные дефекты

Вокруг узлов решетки (точек равновесия) атомы совершают ко
лебательные движения. Чем выше температура тела, тем больше 
энергия атомов и больше амплитуда их колебаний. Отдельные атомы 
реального тела всегда имеют энергию, а следовательно, и амплитуду 
колебаний выше средней. Эти атомы могут перемещаться между узлами решетки. Допустим, это атом № 1 (рис. 1.3, а). Вышедший 
из узла атом называется дислоцированным. Место, где находился атом 
№ 1 (вакансия), не остается свободным, его занимает атом № 2 
из более глубоких слоев (рис. 1.3, б, в). Далее происходит перемещение вакансии в глубь кристалла. В результате образуется решетка, 
представленная на рис. 1.3, г.

Источником тепловых вакансий являются свободные поверх
ности, границы кристаллов, пустоты и трещины. При температурах, 
близких к температуре плавления, число вакансий может достигать 

1
1
1

2

2
2

3

3

3

а)
б)
в)
г)

рис. 1.3. Механизм образования точечного дефекта:

а–г — этапы перемещения дислоцированного атома № 1

1–2% от числа атомов в теле. При быстром охлаждении тела их 
можно зафиксировать (так называемые закалочные вакансии). Вакансии могут образовываться в результате пластической деформации, рекристаллизации и т.д.

1.2.2. Линейные дефекты

Эти дефекты получили название дислокации. Их разделяют 

на краевые и винтовые. Проведем в идеальном кристалле сдвиг 
по плоскости М–М одной части кристалла на одно межатомное расстояние (рис. 1.4, а). Как видно из рисунка, влево сдвинулась часть 
кристалла.

а)

I

I
M

M

B

E

A

G
D

F

C

A
E

B

C

D
F

б)
в)

рис. 1.4. Линейные дефекты кристаллической решетки:

а — краевая дислокация; б — пространственная модель образования винтовой 
дислокации; в — расположение атомов в области винтовой дислокации; 
М–М — плоскость перемещения дислокации; I–I, G — плоскости сдвига кристалла; АВ — сдвинутая часть кристалла; CD — несдвинутая часть кристалла; 

EF — винтовая дислокация

В верхних рядах кристалла оказалось на один атом больше, чем 

в нижних. Появилась лишняя плоскость I–I (экстраплоскость) 
в верхней части кристалла. Линия, перпендикулярная направлению 
сдвига кристалла, является краем экстраплоскости, называется линейной дислокацией и может достигать многих тысяч межатомных 
расстояний.

Происхождение винтовой дислокации немного сложнее. Разре
жем кристалл по плоскости G (рис. 1.4, б) и часть его (АВ) сдвинем 
вверх на одно межатомное расстояние. Горизонтальные атомные 
плоскости изогнутся, и край каждой плоскости сомкнется с краем 
ближайшей соседней плоскости. Расположение атомов в сдвинутой 
части (AB) и в несдвинутой части (DС) даст винтовую линию. 
На рис. 1.4, в белыми кружками обозначены атомы сдвинутой части, 
черными — несдвинутой. Линия ЕF представляет собой так называемую винтовую дислокацию, при наличии которой кристалл как бы 
состоит из закрученных по винту кристаллографических плоскостей. 
Дислокации легко подвижны, так как в зоне дислокаций решетка 
упруго искажена. Атомы в этой зоне смещены относительно равновесных положений и стремятся переместиться в равновесные положения.

1.2.3. Поверхностные дефекты

В реальном теле множества кристаллов соприкасаются между со
бой. Следовательно, тело имеет поликристаллическое строение. Отдельные кристаллы получили название зерно. Поверхностные дефекты образуются на границах зерен. Границы зерен (рис. 1.5, а) 
обычно представляют собой переходную область шириной 3–4 межатомных расстояний.

В этой области решетка одного кристалла переходит в решетку 

другого, имеющего иную кристаллографическую ориентацию. Поэтому на границах зерен атомы расположены несколько иначе, чем 
в объеме зерна. На границах зерен в технических металлах концентрируются примеси, что еще больше нарушает правильный порядок 
расположения атомов. Зерна повернуты друг относительно друга 
на небольшие углы, и по границам скапливаются дислокации 
(рис. 1.5, б), а также примеси и различные посторонние включения. 
Такая структура называется мозаичной или блочной. В результате реальный металл имеет сложную дислокационную структуру (рис. 1.5, в), 
которая влияет на его свойства..

1.2.4. Диффузия

Наличие вакансий определяет возможность перемещения атомов 

в кристаллическом теле на расстояния, превышающие межатомные 
для данного металла (диффузия). Перемещение атомов, не связанных 
с изменением концентрации в отдельных объемах, называется самодиффузией. Диффузия, связанная с изменением концентрации, назовется гетеродиффузией. Она происходит в сплавах с повышенным 
содержанием примесей.

1
2
3

а)

б)

в)

рис. 1.5. Строение границ и блочной структуры кристаллов:

а — размещение атомов в области границ зерен; б — малоугловая граница; 

в — блочная структура; 1, 3 — зерна; 2 — граница