Структурные и фазовые превращения в металлах и сплавах

Л. А. СВЕЧНИКОВА
В. И. ТЕМНЫХ
А. М. ТОКМИН

ФАЗОВЫЕ 
И СТРУКТУРНЫЕ 
ПРЕВРАЩЕНИЯ 
В МЕТАЛЛАХ 
И СПЛАВАХ

Представлены теоретические сведения по основным фазовым 

и структурным превращениям в сплавах при первичной кристалли
зации и в твердом состоянии, а также в области упрочнения мате
риалов при подводе нетепловых форм энергии. Дана классифика
ция сплавов по степени неравновесности их исходного состояния. 

Изложены принципы синергетики и теории фрактальных структур, 

на основе которых рассмотрена методология управления структу
рообразованием в металлах и сплавах с использованием неравно
весных и самоорганизующихся технологий.

Л. А. СВЕЧНИКОВА, В. И. ТЕМНЫХ, А. М. ТОКМИН 
ФАЗОВЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ 
В МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ

ФАЗОВЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ 

ПРЕВРАЩЕНИЯ В МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ

Л. А. СВЕЧНИКОВА

В. И. ТЕМНЫХ

А. М. ТОКМИН

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Сибирский федеральный университет

Л. А. Свечникова, В. И. Темных, А. М. Токмин

Фазовые и структурные превращения 
в металлах и сплавах

Допущено учебно- методическим советом Сибирского федерального университета в качестве учебника для студентов, обучающихся 
по направлению подготовки бакалавров 22.03.01 «Материаловедение 
и технологии материалов», профиль 22.03.01.07 «Материаловедение 
и технологии материалов в машиностроении»

Красноярск
СФУ
2019

УДК 621.78
ББК 34.2
С244

Рецензенты:
А. С. Помельникова, доктор технических наук, профессор кафедры материаловедения (МТ-8) Московского государственного технического университета 
им. Н. Э. Баумана;
И. С. Белашова, доктор технических наук, профессор кафедры технологии 
конструкционных материалов Московского автомобильно-дорожного технического университета

 
 
Свечникова, Л.А.
С244  
Фазовые и структурные превращения в металлах и сплавах : учебник / Л. А. Свечникова, В. И. Темных, А. М. Токмин. – Красноярск : Сиб. 
федер. ун-т, 2019. – 284 с.
ISBN 978-5-7638-4099-5

Представлены теоретические сведения по основным фазовым и структурным превращениям в сплавах при первичной кристаллизации и в твердом состоянии, а  также в 
области упрочнения материалов при подводе нетепловых форм энергии. Дана классификация сплавов по степени неравновесности их исходного состояния. Изложены принципы 
синергетики и теории фрактальных структур, на основе которых рассмотрена методология 
управления структурообразованием в металлах и сплавах с использованием неравновесных 
и самоорганизующихся технологий.
Предназначен для бакалавров направления 22.03.01 «Материаловедение и технологии 
материалов» (профиль 22.03.01.07 «Материаловедение и технологии материалов в машиностроении») и специалистов, занимающихся получением, обработкой и исследованием 
свойств сплавов, а также преподавателей и аспирантов  машиностроительных вузов.

Электронный вариант издания см.:
http://catalog.sfu-kras.ru
УДК 621.78
ББК 34.2

ISBN 978-5-7638-4099-5 
© Сибирский федеральный университет, 2019

Введение

Дисциплина «Фазовые и структурные превращения в металлах и сплавах» 
завершает цикл дисциплин, которые изучают студенты материаловедческих 
специальностей.
Материаловедение –  постоянно развивающаяся наука, непрерывно обогащающаяся за счет разработки новых сталей и сплавов, которые, в свою очередь, 
стимулируют прогресс во всех областях науки и техники.
Техническое значение материала определяется его строением и выражается 
в его свой ствах. Современный уровень развития материаловедения предусматривает получение материалов, которые обладают свой ствами, превосходящими обычный уровень таких свой ств, как упругость, пластичность и прочность 
в десятки раз, позволяет понять причины сверхупругости, сверхпластичности 
и еще более интересного эффекта –  механической «памяти» металлов. Можно удлинить металлический стержень без разрушения в 50 раз, можно навить 
по всем правилам пружину, а она тут же превратится снова в прямую проволоку, можно заставить металл сжиматься при нагревании, хотя хорошо известно, что тела при нагревании обычно расширяются. Можно изменить даже естественный порядок во взаимном расположении атомов металла, заставить его 
отказаться от своей обычной кристаллической структуры и получить аморфный металл или металлическое стекло с таким атомным строением, какое имеет застывшая жидкость. Из двух материалов с сильно различающимися свойствами можно «собрать» третий новый материал, который как бы суммирует 
преимущества каждого, а их недостатки –  сглаживает.
Создание новых материалов с заданным уровнем свой ств является одной 
из задач, стоящих перед материаловедами и технологами в металлургической, 
машиностроительной и других отраслях промышленности.
Современное материаловедение как наука о структуре и свой ствах различных материалов существенно модернизируется за счет интеграции физики 
твердого тела, химии и технологии неорганических веществ, механики твердого деформированного тела и нелинейной механики разрушения. Единый синергетический подход к явлениям первичной и вторичной кристаллизации, упругой и пластической деформации стал возможен благодаря новому пониманию 
реальной структуры материалов на всех иерархических уровнях.

 Введение

В последние годы получило развитие новое научное направление в материаловедении –  фрактальное материаловедение. Основная его задача заключается 
в разработке принципов управления структурой материалов за счет целенаправленного введения и последующей реализации контролируемых обратных 
связей с целью получения материалов со свой ствами, необходимыми для заданных условий эксплуатации. Структура всех уровней сплавов рассматривается 
как живой организм, в котором постоянно под действием внешних эксплуатационных факторов происходят структурные превращения как с прямыми, так 
и обратными связями, причем эти превращения происходят в режиме «самоорганизации». В процессе перестройки формируются фрактальные структуры, которые нельзя описать в рамках геометрии Эвклида, так как они имеют 
нестандартную форму. Примерами фрактальных структур являются границы 
зерен и блоков, границы раздела фаз и пор в пространстве. Наглядной фрактальной структурой является дендритное строение слитка металла.
Следовательно, как при создании сплавов, новых композиционных материалов, так и при их эксплуатации для эффективного управления свой ствами 
сплавов необходимо более глубоко представлять механизмы структурных превращений в сплавах, дислокационно- структурные механизмы разрушения, 
иметь понятие о фракталах и возможностях использования принципа обратных 
связей, действующих в микроструктурах сплавов. Это поможет сохранять оптимальные метастабильные структуры, соответствующие требуемым физико- 
механическим свой ствам сплавов и различных материалов.
Исходя из вышесказанного, авторы ставят цель: познакомить студентов 
с основными понятиями кристаллической структуры металлов и сплавов, некоторыми механизмами структурных превращений в материалах при эксплуатации, показать возможные пути управления структурами с целью повышения 
долговечности и надежности машин.
В учебнике расширенно представлены теоретические сведения по основным фазовым и структурным превращениям, протекающим в сплавах как при 
первичной кристаллизации, так и в твердом состоянии, а также изложен материал, основанный на достижениях, полученных в области упрочнения материалов за последние годы.

Глава 1

Структура и свойства материалов

1.1. Краткий исторический очерк

Начало науки о металлах в России было положено великим русским ученым М. В. Ломоносовым в его труде «Первые основания металлургии, или рудных дел».
Однако начало металловедения как науки связано с именем русского металлурга Павла Петровича Аносова.
П. П. Аносов открыл секрет изготовления клинков из булатной стали, 
обладавших замечательными свой ствами: чрезвычайной остротой лезвия 
и большой гибкостью и упругостью. Им был выполнен большой объем работ 
в области создания технологии изготовления высококачественной литой стали, изучения влияния легирующих элементов (марганца, хрома, титана, платины, золота и других) на свой ства стали, а также формы вводимого в сталь 
углерода –  от лепестков роз до алмаза. Изучение рисунков на булатах помогло 
прийти к выводу, что они являются проявлением внутренней структуры металла. П. П. Аносов впервые показал, что свой ства стали зависят от ее макро- 
и микроструктуры, и впервые в 1831 г. применил микроскоп для исследования 
микроструктуры стали, положив этим начало науке о металлах –  металловедению.
Работы П. П. Аносова по изучению структуры литой стали были продолжены Александром Степановичем Лавровым и Николаем Вениаминовичем Калакуцким, которые исследовали структуру стальных слитков, производили химические анализы в разных его частях, изучили образование пустот, пузырей, 
усадочных раковин в слитках.
Новым этапом развития науки о металлах –  металловедении –  явились 
открытия Дмитрия Константиновича Чернова. В 1868 г. Д. К. Черновым были 
открыты критические точки стали Ас1, Ас3 и Ас4, которые определили основу 
технологии термической обработки. Научное и практическое значение работы 
Д. К. Чернова заключается в том, что в ней было теоретически обосновано и экспериментально доказано, что решающее влияние на формирование структуры 

Глава 1. Структура и свойства материалов

6

и свой ств стали оказывает термическая обработка, а не ковка, как считалось 
раньше.
Открытие критических точек стали Д. К. Черновым и периодического закона Д. И. Менделеевым в 1869 г. явилось основой современного металловедения. 
Периодический закон Д. И. Менделеева позволяет установливать связь между 
строением атомов, кристаллической структурой и свой ствами металлических 
сплавов, а также предвидеть и объяснять влияние элементов на структуру 
и свой ства металлических сплавов, способность их к образованию твердых растворов и химических соединений.
Д. К. Чернов установил приоритет русской науки по таким вопросам теории 
кристаллизации, как учение о центрах кристаллизации и законы роста кристаллов в больших объемах стали. Он исследовал знаменитый «кристалл Чернова» 
длиной 39 см и весом 3,45 кг, ставший классическим примером процесса кристаллизации.
В 1884 г. Д. К. Чернов первым обнаружил и описал линии скольжения 
на поверхности деформированной стали, называемые в настоящее время линиями Чернова –  Людерса, заложив научные основы обработки металлов давлением.
В 1885 г., приняв за основу работы П. П. Аносова по закалке в горячем 
сале, Д. К. Чернов осуществил закалку в сплаве свинца с оловом при температуре 200 °C, что послужило началом применения ступенчатой закалки стали, а в дальнейшем –  исследования изотермического превращения аустенита. 
Большое значение имеют работы Д. К. Чернова по разгаростойкости орудийных 
стволов и технологии термической обработки бронебойных снарядов.
Одним из основных разделов металловедения является учение о внутренних 
напряжениях. Большой вклад в него внес русский металловед Н. В. Калакуцкий. 
В 1887 г. в Петербурге вышел его знаменитый труд «Исследование внутренних 
напряжений в чугуне и стали», в котором утверждалось, что производство многих изделий было бы гораздо совершеннее, если бы учитывались внутренние 
напряжения. Н. В. Калакуцкий предложил метод определения внутренних напряжений в чугунных или стальных изделиях и впервые указал, что создание 
в деталях благоприятного распределения напряжений значительно повышает 
их прочность и долговечность. Иллюстрацией может служить упрочнение наклепом дробью, накаткой роликами, холодной поверхностной пластической деформацией, закалкой токами высокой частоты, создающей на поверхности изделий сжимающие напряжения.
Дальнейшее развитие науки о металлах характеризуется резким скачком, 
значительным прогрессом металловедения одновременно по многим направлениям. Николай Семенович Курнаков создал школу металловедов, заложивших 
основы физико- химического анализа. Под его руководством были образованы 
крупные, хорошо оборудованные лаборатории, где разработан дифференциаль

1.1. Краткий исторический очерк

7

ный пирометр (пирометр Курнакова). Н. С. Курнаковым и его учениками были 
сформированы новые представления о природе твердых растворов и химических соединений, исследованы и построены сотни диаграмм состояния металлических сплавов, составляющие сокровищницу мировой науки.
Выдающимся исследователем, работавшим над наиболее важными проблемами металловедения, был Александр Александрович Байков. Он обнаружил 
кристаллическое строение аустенита путем травления хлором микрошлифов 
при высокой температуре. В 1900 г. при исследовании сплавов меди с сурьмой А. А. Байков показал, что процесс закалки применим не только к сталям, 
но и сплавам цветных металлов.
В 1906 г. немецкий инженер А. Вильм на изобретенном им дуралюмине открыл старение –  процесс, который стал основным, приводящим к упрочнению 
многих цветных сплавов. Старение сплавов, обнаруженное Вильмом, исследовалось П. Мерика, С. Т. Конобеевским, Ю. А. Багаряцким, М. И. Захаровой и др. Теория распада пересыщенных твердых растворов разработана С. Т. Конобеевским.
Развитие металловедения как науки связано с именем Николая Анатольевича Минкевича. Им решались проблемы по созданию научных основ термической обработки специальных сталей и сплавов высокого качества для авиационной, автомобильной и других отраслей промышленности. Н. А. Минкевичем 
были внедрены в производство многие марки конструкционных и инструментальных сталей, проведены работы в области теории и технологии газовой цементации стали.
Большой вклад в развитие металловедения и теории термической обработки стали был внесен уральской школой металловедов под руководством Сергея 
Самойловича Штейнберга. Этой школой разработаны теории изотермической 
закалки и изотермического отжига стали, разработан и обоснован способ многократного отпуска быстрорежущей стали, а также выявлено влияние различных легирующих элементов и величины зерна на свой ства и структуру стали 
после термической обработки.
Теория мартенситного превращения в стали и других сплавах изучалась 
и разработана Г. В. Курдюмовым.
Большой объем работ по металловедению цветных металлов и сплавов наряду с изучением сталей проведен школой А. М. Бочвара и А. А. Бочвара. Этой 
школой изучены многие сплавы цветных металлов, исследован процесс эвтектической кристаллизации, внедрены многие подшипниковые сплавы, усовершенствованы способы изготовления изделий из этих сплавов, разработаны методы борьбы с коррозией.
Изучение медных сплавов проведено школой ленинградских металловедов 
под руководством М. П. Славинского.
Новые методы комбинированной обработки, появившиеся в последнее 
время, потребовали современных металловедческих исследований. Изучение 

Глава 1. Структура и свойства материалов

8

структуры сталей и сплавов цветных металлов при их термомеханической, 
механико- термической, термомагнитной обработке проведено М. Л. Бернштейном. Влияние ультразвуковых колебаний на превращения в металлах и сплавах 
исследовано В. С. Ермаковым, Э. А. Альфтаном, К. М. Погодиной- Алексеевой, 
Г. И. Погодиным- Алексеевым, А. В. Кулеминым, В. С. Биронтом и др.
Развитие науки в области неметаллических керамических и композиционных материалов основывается на самостоятельных научных направлениях 
и также имеет богатую историю создания таких материалов.

1.2. Система современных базовых понятий 
материаловедения

Материя и материал. Главное базовое понятие материаловедения –  материал –  происходит от основного фундаментального понятия Вселенной (мира 
или мироздания) –  материя, которое сегодня является уже не просто философским, а естественно- научным понятием, так как формы и разновидности материи характеризуются такими измеряемыми фундаментальными величинами, 
как масса и энергия.
Материя –  объективно существующая реальность в виде различных форм 
и уровней организации объектов окружающего нас мира, которая описывается массой и энергией, а также другими производными характеристиками (дискретностью и непрерывностью, пространственной размерностью, временными 
формами движения, типами связей элементов, образующих конкретную материальную форму, их структурой и т. д.).
Различают две формы существования материи –  поле и вещество.
Поле –  это форма существования материи, которая характеризуется, прежде всего, энергией, а не массой, хотя и обладает последней. В результате важнейшим свой ством поля является континуальность, т. е. непрерывность в пространстве, по причине его волновой природы. К разновидностям полей обычно 
относят электромагнитное, гравитационное и др. Шкала электромагнитных полей приведена на рис 1.1.
Вещество –  это форма существования материи, которая характеризуется, 
прежде всего, массой покоя, а не энергией, хотя и обладает последней. Следовательно, вещество обладает дискретностью (прерывностью в пространстве), т. е. 
возможностью существования в виде индивидуальных частиц (или материальных тел).
Вещества на разных структурных уровнях их организации. В зависимости от элементного состава и типа связи элементов, составляющих вещество, 
различают следующие его разновидности: физические (элементарные и атом

1.2. Система современных базовых понятий материаловедения 

9

ные), химические (молекулярные и немолекулярные), биологические и минеральные (геологические) вещества и материальные тела в целом.
Вещество физическое –  это индивидуальный уровень организации вещественной материи (вещество элементарное, атомное и т. д.) или физические соединения кварков, элементарных частиц и т. д. Их структуры определяются физическими типами взаимодействий (ядерные силы –  сильное взаимодействие: 
электромагнитное, электростатическое, гравитационное и слабые взаимодействия).
Вещество химическое –  вещественный уровень организации материи в виде 
химического (гомо- или гетероядерного) соединения атомов молекулярного и немолекулярного типов, построенный из не менее двух атомных ядер (или атомных 
остовов), связанных обобществленными электронами (т. е. химической связью 
различного типа: преимущественно ковалентной, металлической или ионной). 
Для данной разновидности вещества элементами ее микроструктуры являются 
ядра или атомные остовы, связанные обобществленными электронами (ОЭ).
Химическое соединение гомоядерное –  химическое вещество, построенное 
из одинаковых ядер или атомных остовов (например, Н–Н).
Химическое соединение гетероядерное –  химическое вещество, построенное из разных ядер или атомных остовов (например, Н–О–Н).
Атомный остов –  ядро с частью электронной оболочки атома, не принимающей участия в образовании химической связи (необобществленные электроны в совокупности с ядром).
Специфика структуры различных химических веществ (молекулярная 
и немолекулярная) и их свой ств, в первую очередь, определяется свой ствами 
преобладающего типа химической связи в них (ковалентной, металлической 
или ионной). Это, прежде всего, специфика локализации –  делокализации ОЭ, 
направленность или ненаправленность связи, насыщаемость или ненасыщаемость, а далее длина и энергия связи и, как следствие, тип соответствующей 
структуры (молекулярная или немолекулярная и т. д.).
Если в связи элементов преобладает ковалентность, то образуются химические соединения (химические вещества) молекулярного, или прерывного 
(дальтонидного), типа (Н2О), а если преобладает металличность или ионность, 

Рис. 1.1. Шкала электромагнитных волн