Материаловедение

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Сибирский федеральный университет

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Допущено учебно-методическим советом Сибирского федерального 
университета в качестве учебника для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 22.03.02.11 «Металлургия CDIO», 22.03.02 «Металлургия». 
Протокол № 17 от 18.05.2020 г.

Красноярск 
СФУ 
2020

УДК 620.22(07)
ББК 30.3я73
М341

Авторы:
О. А. Масанский, А. А. Ковалева, Т. Р. Гильманшина
В. С. Казаков, С. И. Лыткина

Р е ц е н з е н т ы:
А. В. Лопатин, профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой 
компьютерного моделирования Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева;
Н. М. Романченко, кандидат технических наук, доцент кафедры общеинженерных наук Красноярского государственного аграрного университета

М341 
 
Материаловедение : учебник / О. А. Масанский, А. А. Ковалева, 
Т. Р. Гильманшина [и др.]. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2020. – 300 с.
ISBN 978-5-7638-4347-7

Рассмотрены тенденции и направления развития современного теоретиче ского 
и прикладного материаловедения, закономерности формирования структуры и свойств 
материалов при различных видах воздействия и технологии получения. Изложены механизмы фазовых и структурных превращений в зависимости от условий термической 
и механической обработок. Приведены современные материалы и технологии, применяемые при получении изделий металлургического комплекса. 
Предназначен для бакалавров, обучающихся по направлениям 22.03.02.11 «Металлургия CDIO», 22.03.02 «Металлургия». Также может быть использован в качестве основной литературы при изучении дисциплин «Материаловедение», «Материаловедение 
и ТКМ», «Конструкционное материаловедение» студентами направлений подготовки 
13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов», 23.03.01 «Технология транспортных процессов», 23.03.02 «Наземные 
транспортно-технологические комплексы», 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов», 23.05.01 «Наземные транспортно-технологические 
средства» и др.

Электронный вариант издания см.: 
УДК 620.22(07)
http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 30.3я73

ISBN 978-5-7638-4347-7 
© Сибирский федеральный 
университет, 2020

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение .......................................................................................................................8

1. Общая характеристика и свойства металлов ................................................10
1.1. Общая характеристика металлов .......................................................................10
1.2. Свойства материалов ..........................................................................................11
1.2.1. Механические свойства материалов .......................................................11
1.2.2. Технологические свойства  ......................................................................21
1.2.3. Эксплуатационные свойства ....................................................................21

2. Атомно-кристаллическое строение металлов.  
Механизм и параметры кристаллизации ............................................................23
2.1. Атомно-кристаллическое строение металлов ..................................................23
2.2. Полиморфизм и анизотропия .............................................................................25
2.3. Типы связей и их влияние на структуру и свойства кристаллов ....................27
2.4. Дефекты атомно-кристаллического строения ..................................................29
2.5. Формирование структуры литых материалов  .................................................35
2.5.1. Механизм и параметры кристаллизации ................................................35
2.5.2. Несамопроизвольная кристаллизация  ...................................................37
2.5.3. Строение стального слитка ......................................................................38
2.5.4. Получение монокристаллов .....................................................................40
2.5.5. Аморфные металлы ..................................................................................43
2.5.6. Нанокристаллические материалы ...........................................................44

3. Диаграммы состояния сплавов двойных систем ...........................................46
3.1. Основные понятия теории сплавов ...................................................................46
3.2. Фазы в металлических системах  ......................................................................48
3.3. Методы построения диаграмм состояния.........................................................52
3.4. Основные типы диаграмм состояния сплавов двойных систем .....................54
3.5. Правило Курнакова .............................................................................................63

4. Диаграмма состояния железо – углерод ...........................................................65
4.1. Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов ..........................................66
4.2. Значение точек и линий диаграммы железо – цементит .................................69
4.3. Превращения в железоуглеродистых сплавах ..................................................73
4.3.1. Превращения сталей в твердом состоянии ............................................73
4.3.2. Превращения чугунов ..............................................................................76
4.3.3. Превращения в сплавах системы «железо – графит» ............................78

Оглавление

4.4. Влияние углерода и постоянных примесей 
на свойства железоуглеродистых сплавов ........................................................79

5. Механизм и особенности пластического деформирования  .........................82
5.1. Механизм пластического деформирования  .....................................................82
5.2. Механизм деформации моно- и поликристаллического тела .........................84
5.3. Возврат и рекристаллизация ..............................................................................86
5.4. Разрушение металлов  ........................................................................................89

6. Термическая и химико-термическая обработка сплавов.............................92
6.1. Отжиг сталей .......................................................................................................93
6.1.1. Нагрев для снятия остаточных напряжений ..........................................94
6.1.2. Рекристаллизационный отжиг .................................................................95
6.1.3. Диффузионный отжиг  .............................................................................96
6.1.4. Полный отжиг ...........................................................................................97
6.1.5. Изотермический отжиг .............................................................................98
6.1.6. Неполный отжиг .......................................................................................99
6.1.7. Нормализация сталей .............................................................................101
6.2. Термическая обработка сплавов с переменной  
растворимостью компонентов в твердом состоянии  ....................................102
6.3. Превращения в сталях при нагреве до аустенитного состояния ..................105
6.3.1. Превращение перлита в аустенит ..........................................................105
6.3.2. Рост зерна аустенита при нагреве .........................................................108
6.4. Превращение аустенита при различных степенях переохлаждения ............109
6.4.1. Диаграмма изотермического превращения  
переохлажденного аустенита ..................................................................110
6.4.2. Перлитное превращение ........................................................................113
6.4.3. Бейнитное превращение .........................................................................115
6.4.4. Мартенситное превращение  .................................................................116
6.5. Закалка  ..............................................................................................................120
6.5.1. Выбор технологических параметров закалки ......................................121
6.5.2. Охлаждающие среды, применяемые при закалке ................................122
6.5.3. Прокаливаемость и закаливаемость ......................................................124
6.5.4. Практические способы закалки сталей и обработка холодом ............125
6.5.5. Дефекты, возникающие при закалке .....................................................127
6.6. Отпуск закаленных сталей ...............................................................................128
6.6.1. Превращения в закаленных сталях при отпуске ..................................128
6.6.2. Виды отпуска...........................................................................................130
6.7. Химико-термическая обработка сплавов ........................................................132
6.7.1. Цементация..............................................................................................133

Оглавление

6.7.2. Азотирование ..........................................................................................137
6.7.3. Цианирование и нитроцементация  ......................................................138
6.7.4. Диффузионная металлизация ................................................................139
6.8. Термомеханическая обработка ........................................................................140

7. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей ..........142
7.1. Влияние легирующих элементов на равновесную структуру сталей ..........142
7.2. Распределение легирующих элементов в стали .............................................145
7.2.1. Влияние легирующих элементов на свойства феррита .......................145
7.2.2. Взаимодействие легирующих элементов с углеродом ........................146
7.3. Влияние легирующих элементов на превращения в сталях .........................148
7.3.1. Влияние легирующих элементов на превращение  
переохлажденного аустенита ..................................................................148
7.3.2. Влияние легирующих элементов на температуру  
мартенситного превращения ..................................................................150
7.3.3. Влияние легирующих элементов на превращения при отпуске ........150
7.4. Назначение легирующих элементов ...............................................................152

8. Классификация и маркировка сталей ...........................................................157
8.1. Классификация сталей ......................................................................................157
8.2. Маркировка сталей ...........................................................................................159

9. Конструкционные стали ...................................................................................164
9.1. Углеродистые конструкционные стали ...........................................................164
9.1.1. Углеродистые стали обыкновенного качества  ....................................164
9.1.2. Углеродистые качественные стали ........................................................166
9.2. Легированные стали .........................................................................................168
9.2.1. Стали с высокой технологической пластичностью  
и свариваемостью ....................................................................................168
9.2.2. Автоматные стали ...................................................................................171
9.2.3. Цементуемые стали ................................................................................172
9.2.4. Улучшаемые стали ..................................................................................176
9.2.5. Высокопрочные стали ............................................................................178
9.2.6. Рессорно-пружинные стали ...................................................................180
9.2.7. Подшипниковые стали ...........................................................................183
9.2.8. Износостойкие стали  .............................................................................184

10. Материалы, устойчивые к воздействию  
температуры и рабочей среды .............................................................................185
10.1. Жаропрочность ................................................................................................185

Оглавление

10.2. Усталость металлов .........................................................................................192
10.3. Коррозия металлов и сплавов ........................................................................194
10.3.1. Газовая коррозия ...................................................................................195
10.3.2. Химическая коррозия в жидкостях-неэлектролитах .........................198
10.3.3. Коррозионно-стойкие покрытия ..........................................................205
10.4. Эрозийный и кавитационный износ ..............................................................206
10.5. Влияние температурно-временных факторов на фазовый состав,  
сфероидизацию и графитизацию сталей ......................................................208
10.6. Жаропрочные стали и сплавы  .......................................................................210
10.7. Жаростойкие стали и сплавы .........................................................................218
10.8. Коррозионно-стойкие стали ...........................................................................221
10.9. Стали для изделий, работающих при низких температурах .......................225

11. Инструментальные стали ...............................................................................227
11.1. Стали и сплавы для режущего инструмента ................................................227
11.2. Штамповые стали ...........................................................................................231
11.3. Стали для измерительного инструмента .......................................................233

12. Чугуны  ..............................................................................................................235
12.1. Серые чугуны  .................................................................................................237
12.2. Высокопрочные чугуны..................................................................................239
12.3. Ковкие чугуны .................................................................................................240

13. Цветные металлы и сплавы на их основе ...................................................243
13.1. Медь и ее сплавы ............................................................................................243
13.1.1. Латуни  ...................................................................................................245
13.1.2. Бронзы ....................................................................................................248
13.2. Алюминий и его сплавы .................................................................................250
13.2.1. Деформируемые алюминиевые сплавы  .............................................254
13.2.2. Литейные алюминиевые сплавы .........................................................258
13.3. Титан и его сплавы ..........................................................................................263

14. Благородные металлы и сплавы ...................................................................265
14.1. Форма нахождения в рудах ............................................................................265
14.1.1. Золото .....................................................................................................265
14.1.2. Серебро ..................................................................................................267
14.1.3. Металлы платиновой группы ..............................................................267
14.2. Физико-химические свойства благородных металлов  ...............................269
14.2.1. Физико-химические свойства золота  .................................................270
14.2.2. Физико-химические свойства серебра ................................................272

Оглавление

14.2.3. Физико-химические свойства металлов платиновой группы  ..........274
14.3. Общие принципы извлечения благородных металлов ................................281
14.4. Аффинаж благородных металлов ..................................................................282
14.5. Применение благородных металлов .............................................................284

15. Композиционные и неметаллические материалы .....................................288
15.1. Композиционные материалы .........................................................................288
15.2. Неметаллические материалы .........................................................................292

Библиографический список .................................................................................298

ВВЕДЕНИЕ

Материаловедение – это наука, изучающая взаимосвязь между составом, 
строением и свойствами металлов и сплавов в различных условиях. Знания, полученные в результате изучения этой дисциплины, позволяют осуществить рациональный выбор материалов для конкретного применения. 
Материаловедение – постоянно развивающаяся наука, непрерывно обогащающаяся за счет разработки новых материалов, которые, в свою очередь, стимулируют прогресс во всех областях науки и техники.
Техническое значение материала определяется его строением и выражается в его свойствах. Из металлических материалов наиболее применяющимися 
и самыми распространенными являются железо и сплавы на его основе, которые 
и в ближайшее время будут занимать ведущее место. Из этих материалов изготовляются самые различные изделия, начиная от жестяных консервных банок и заканчивая котлами для атомных реакторов из нержавеющей стали. 
Материаловедение, как наука о структуре и свойствах 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.
Эффективное управление свойствами сплавов невозможно без знания 
механизмов структурных превращений в сплавах, дислокационно-структурных 
механизмов разрушения, о фракталах и возможностях использования принципа 
обратных связей, действующих в микроструктурах сплавов. Знание этих принципов и механизмов поможет сохранять оптимальные метастабильные структуры, 
соответствующие требуемым физико-механическим свойствам сплавов и различных материалов, для повышения долговечности их работы.
Практическое значение различных металлов не одинаково. Наибольшее 
применение в технике приобрели черные металлы. На основе железа изготавливают более 90 % всей металлопродукции. Однако цветные металлы обладают 
целым рядом ценных физико-химических свойств, которые делают их незаменимыми. Из цветных металлов наибольшее промышленное значение имеют алюминий, медь, магний, титан и др. 
Кроме металлических, в промышленности значительное место занимают различные неметаллические материалы – пластмассы, керамика, резина и др. 
Их производство и применение развивается в настоящее время опережающими 

Введение

темпами по сравнению с металлическими материалами. Но использование их 
в промышленности невелико (до 10 %). 
Проведенные исследования в области материаловедения позволяют обосновать правильный выбор материалов, а также давать рекомендации по совершенствованию конструкций и режимов эксплуатации, что способствует обеспечению надежности и долговечности машин и механизмов. 
Цель авторов учебника – познакомить студентов с основными свойствами материалов, строением 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 и практические сведения по основным материалам, применяемым в современной промышленности, 
включая цветные и благородные металлы и сплавы. 

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку 
и широко используемых им в своей жизнедеятельности, металлы всегда занимали особое место.
Подтверждение этому находим и в названиях эпох (золотой, серебряный, 
бронзовый, железный века, на которые греки делили историю человечества), 
и в археологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия), и в повсеместном использовании металлов 
и сплавов в современной технике.
Причина этого – особые свойства металлов, выгодно отличающие их от 
других материалов и делающие во многих случаях незаменимыми.

1.1. Общая характеристика металлов

Металлы – один из классов конструкционных материалов, к которому 
относятся химически простые вещества, характеризующиеся определенным набором свойств:
• металлический блеск (хорошая отражательная способность);
• пластичность;
• высокая теплопроводность;
• высокая электропроводность;
• положительный температурный коэффициент электрического сопротивления, означающий рост сопротивления с повышением температуры;
• сверхпроводимость некоторых металлов при температурах, близких 
к абсолютному нулю;
• термоэлектронная эмиссия, т. е. способность к испусканию электронов 
при нагреве;
• кристаллическое строение в твердом состоянии.
Металлические материалы обычно делят на две большие группы: железо 
и сплавы на его основе (сталь и чугун) называют черными металлами, а остальные металлы и их сплавы – цветными.
Цветные металлы, применяемые в технике, с учетом их свойств и характера залегания в земной коре условно делятся на следующие группы: 
легкие – алюминий, магний, титан, бериллий, литий, натрий, калий, кальций, рубидий, цезий, стронций, барий; 
тяжелые – медь, никель, кобальт, свинец, олово, цинк, кадмий, сурьма, 
висмут, ртуть;