Материалы в современном машиностроении

МАТЕРИАЛЫ
В СОВРЕМЕННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
Учебное пособие
Москва     Вологда
«Инфра-Инженерия»
2021

УДК 67.03:621
ББК 34.43
         М34
Авторы:
Г. Х. Шарипзянова, А. В. Андреева, Ж. В. Еремеева, Н. М. Ниткин 
Р е ц е н з е н т:
д-р техн. наук, профессор кафедры порошковой металлургии 
и функциональных покрытий НИТУ МИСиС В. С. Панов
М34
Материалы в современном машиностроении : учебное 
пособие / [Г. Х. Шарипзянова и др.]. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2021. - 192 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0698-7
Изложены базовые основы строения и свойств различных видов твердотельных материалов. Дана классификация материалов, представлен широкий круг 
методов исследования их функциональных свойств, рассмотрены физико-химические эффекты и процессы, лежащие в основе их применения. Уделено внимание 
новым материалам с особыми свойствами, освещен ряд инновационных разработок по наноматериалам и развитию приоритетных направлений фундаментального 
материаловедения.
  Для студентов и преподавателей высших учебных заведений и техникумов направлений подготовки 22.00.00 «Технологии материалов» и 15.00.00 «Машиностроение». 
УДК 67.03:621 
ББК 34.43
ISBN 978-5-9729-0698-7  ” Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
  ” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

Оглавление
Предисловие.......................................................................................................7
Глава 1. 
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ МАТЕРИАЛОВ 
               И ИХ СВОЙСТВА............................................................................8
1.1. Что такое материал" Наука о материалах..................................8 
1.2. Строение атомов и Периодический закон 
 Д. И. Менделеева..........................................................................8
1.3. Химическая связь как основа образования различных типов  
 материалов. Основные типы химических связей....................13
1.4. Кристаллическое и аморфное строение материалов..............17
1.5. Дефекты строения кристаллических тел.................................19
 1.5.1. Точечные дефекты.............................................................20 
 
 1.5.2. Линейные дефекты............................................................20 
 
 1.5.3. Поверхностные дефекты...................................................22 
  1.5.4. Объемные дефекты............................................................22
              1.6. Элементы зонной теории строения материалов. Металлы, 
полупроводники, диэлектрики..................................................22
1.7. Основные виды материалов и их свойства..............................24
1.7.1. Металлы.............................................................................25
1.7.2. Полупроводники................................................................26
1.7.3. Полимеры...........................................................................27
1.7.4. Жидкие кристаллы............................................................29
1.7.5. Стекла.................................................................................30
1.7.6. Керамики............................................................................31
1.7.7. Твердые электролиты........................................................34
1.7.8. Композиционные материалы............................................35
 1.7.9. Наноматериалы.................................................................39 
Глава 2. 
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ...................48
  2.1. Основные определения..............................................................48
2.2. Деформация и разрушение........................................................49
       2.2.1. Основные стадии процесса деформации.......................50
       2.2.2. Основные закономерности упругой, пластической 
 деформации и разрушения..............................................51
       2.2.3. Хрупкое и пластическое состояние материала.............52 
2.3. Характеристики механических свойств металлов..................55
2.4. Твердость и прочность..............................................................56 
3

                 2.4.1. Твердость. Методы измерения твердости.......................56
 
       2.4.2. Прочность. Хрупкая и вязкая прочность.........................62
 
2.5. Жаропрочность и жаростойкость.............................................64
2.5.1. Жаропрочность и жаропрочные материалы...................64
2.5.2. Жаростойкость..................................................................65
 
2.6. Коррозия.....................................................................................65
 
2.6.1. Коррозионная стойкость. Виды коррозии......................65
2.6.2. Механизмы коррозионных процессов............................66
 
2.7. Радиационная стойкость материалов.......................................67
 
2.8. Резервы прочностных свойств, будущее материлов...............71
Глава 3. 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ 
              И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ...........................................76 
 
3.1. Электропроводность.................................................................76 
3.1.1. Электронная структура твердых тел. 
          Зонная теория....................................................................78
3.1.2. Температурная зависимость электропроводности........ 80
 
3.2. Термоэлектрические явления....................................................83 
3.2.1. Эффект Томсона................................................................83
3.2.2. Эффект Пельтье.................................................................85
3.2.3. Эффект Зеебека..................................................................85
3.2.4. Термоэлектрические материалы......................................86
 
3.3. Эффект Холла.............................................................................87
 
3.4. Особые виды диэлектриков и их свойства
                     в электрическом поле.................................................................89 
 
                    3.4.1. Сегнетоэлектрики (ферроэлектрики).   
                              Закон Кюри - Вейсса.........................................................92
3.4.2. 
Пьезоэлектрики..................................................................94
3.4.3. 
Пироэлектрики...................................................................94
3.4.4. 
Электреты...........................................................................95
 
Глава 4. 
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ 
              И МЕТОДЫ ИХ  ИССЛЕДОВАНИЯ...........................................98
 
4.1. Микроскопическая природа магнетизма и основные 
                     группы магнитных материалов.................................................98
 
4.2. Природа ферромагнитного состояния, 
                     доменная структура..................................................................103
 
4.3. Поведение ферромагнетиков в магнитном поле...................105
 
4.4. Влияние температуры на магнитные свойства. 
                      Законы Кюри и Кюри - Вейсса..............................................107
4

4.5. Виды магнитных материалов и области их применения.....109
4.6. Магниторезистивный эффект, эффект гигантского 
магнитосопротивления. Спинтроника....................................111
Глава 5. 
ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ. 
 СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ.................................................115 
5.1. Цветность неорганических твердых тел................................115
5.2. Оптически активные вещества и оптические эффекты........117
5.3. Люминесценция и лазеры.......................................................122
5.3.1. Люминесценция и люминофоры..................................122
5.3.2. Лазеры.............................................................................127
5.4. Оптические свойства нанообъектов.......................................132
5.4.1. Электричество в наномире превращается в оптику....132
 5.4.2. Фотоника. Оптические свойства нанообъектов
(квантовые точки и фотонные кристаллы)..................132
 5.4.3. Оптический пинцет........................................................134
Глава 6. 
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ 
               ПОЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ..................................................136
6.1. Виды образцов кристаллических 
 и аморфных материалов..........................................................136
6.2. Методы получения материалов 
в виде массивных образцов....................................................136
6.2.1. Методы выращивания монокристаллов. 
  Выращивание из расплава.............................................136
  6.2.2. Кристаллизация из растворов и расплавов..................139
6.3. Получение материалов в виде тонких слоев и пленок.........139
6.3.1. Химические и электрохимические методы.................139
6.3.2. Физические методы.......................................................142
6.3.3. Эпитаксиальные и атомно-слоевые методы 
          выращивания тонких пленок........................................145
Глава 7. НАНОТЕХНОЛОГИИ, НАНОМАТЕРИАЛЫ, 
               НАНОУСТРОЙСТВА................................................................148
7.1. Нанотехнология.......................................................................149
7.2. Нанопоршки.............................................................................153
7.3. Наноматериалы........................................................................167
      7.3.1. Нанокластеры.................................................................167
 7.3.2. Наноматериалы на основе углерода.............................168 
7.4. Наноустройства........................................................................175
5

7.4.1. Микро- (нано-) электромеханические системы
(МEMS, NEMS).......................................................................175
7.4.2. Нанороботы.....................................................................178 
  7.5. Перспективы развития нанотехнологии................................181
 
Послесловие...................................................................................................185
Литература......................................................................................................186
Приложение. Периодическая таблица химических 
                        элементов Д. И. Менделеева.................................................188 
 
6

Предисловие
Ученое пособие написано на основе разработанного авторами 
курса лекций «Методы исследования материалов и процессов», читаемого 
студентам 2-го года обучения Московского политехнического университета.
Современное состояние науки таково, что порой научные открытия становятся настолько невероятными с точки зрения обычного человеческого восприятия, что в них сложно поверить. Поэтому серьезный большой 
курс для студентов первых курсов должен в первую очередь предложить 
молодым людям творческий подход к изучению конкретных профильных 
дисциплин на старших курсах, заинтересовать задачами современного материаловедения. Разрабатываемый курс должен сочетать как изложение в 
доступной форме фундаментальных основ знаний о структуре, свойствах 
и методах исследования твердотельных материалов, так и новый богатый 
информационный материал о последних открытиях, разработках, дизайне 
перспективных функциональных материалов, процессов, приборов, технологий. 
Кажутся вполне реальными утверждения, что наука и технология 
XXI века будут иметь наноразмерный, ангстремный характер, поскольку 
во многих областях традиционных технологий достигнуты пределы миниатюризации отдельных элементов, что стимулирует поиск альтернативных 
путей. Поэтому высокие технологии, то есть наиболее новые и прогрессивные технологии современности, играют решающую роль в создании 
новых типов композиционных, нано- и метаматериалов, в развитии фотоники, спинтроники и других новых направлений науки.
Авторы благодарны за ценные советы, которые были даны при 
рецензировании рукописи, а также коллегам, которые своей поддержкой 
стимулировали создание книги.
Авторы надеются, что изложенные в книге сведения о материалах дадут читателю представление о современных возможностях науки и 
техники, помогут сформировать начальные навыки анализа свойств различных материалов, сравнения их характеристик и определения области 
наиболее рационального применения. 
Дорогие читатели, успехов на пути познания Авторы искренно 
желают, чтобы книга стала для вас ключиком в большой мир новых материалов и их свойств. Рассматривайте книгу как путеводитель, который не 
тащит строго за собой по заранее выбранному маршруту, а предоставляет 
возможность выбрать путь самостоятельно.
7

Глава
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ МАТЕРИАЛОВ 
И ИХ СВОЙСТВА
 
1
     1.1. Что такое материал" Наука о материалах
 
Термин «материал» не имеет однозначного определения в науке, 
его не аннотируют ни универсальные, ни специализированные энциклопедии. Анализируя содержание, этого термина можно выделить три основные позиции:
 
1) «материал» - это сырье, то есть то, из чего можно что-то сделать;
 
2) «материал» - это информация о чем-нибудь, или о ком-нибудь, 
которую можно использовать;
 
3) «материал» - это тканая материя.
 
Материаловедение, как наука о материалах, оперирует в основном первым определением. Поэтому если рассматривать материаловедение лишь как прагматически ориентированную дисциплину, то ее нужно 
преподавать в технических и технологических вузах, которые готовят 
специалистов для разработки и эксплуатации техники и промышленных 
технологий. Однако, если материаловедение рассматривать как систему 
знаний, учитывающую сложную многоуровневую природу материалов, то 
в этом случае необходимо опираться на универсальные законы изменчивости, отбора, адаптации и саморазвития природы. Именно эти законы, 
переплавляют физику, химию, математику и другие фундаментальные 
дисциплины в единую систему знаний об эволюции материалов, создают 
фундаментальное материаловедение. 
     1.2. Строение атомов и Периодический закон 
            Д. И. Менделеева
 
Основой современной науки о химических элементах является периодический закон Д. И. Менделеева, открытый им в 1869 г., и отражающая 
закон Периодическая система химических элементов. Каждому элементу 
8

соответствует определенный род атома - наименьшей части химического 
элемента, являющейся носителем его свойств. Атом состоит из электрически положительно заряженного ядра и окружающих его отрицательно 
заряженных электронов. В свою очередь ядро состоит из протонов и нейтронов. Нейтроны являются нейтральными частицами, поэтому заряд ядра 
определяется числом протонов. Масса электрона в 1836 раз меньше массы 
протона и нейтрона, поэтому практически вся масса атома сосредоточена в 
ядре. Электроны заполняют оболочки атома, компенсируя положительный 
заряд протонов и в целом атом является нейтральным.
Наиболее известной моделью строения атома является планетарная модель Бора, где электроны вращаются вокруг ядра по орбитам.
Основные положения своей теории Бор сформулировал в виде постулатов:
1. Электрон может вращаться вокруг ядра не по любым, а только
по некоторым определенным - стационарным орбитам. 
2. Двигаясь по стационарной орбите, электрон не излучает электромагнитной энергии.
3. Излучение происходит при скачкообразном переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую. При этом испускается или 
поглощается квант электромагнитного излучения, энергия которого равна 
разности энергии в конечном и в исходном состояниях. 
Принцип Паули: «на орбите может находиться не более двух электронов с противоположно направленными спинами (спин - собственный 
момент количества движения электрона) существенно дополнил модель 
Бора. Дальнейшее развитие этой модели привело к квантовой теории 
строения атома и зонной теории строения кристаллов. 
Таблица Менделеева (см. приложение) в современном виде состоит из 10 горизонтальных рядов и 8 вертикальных столбцов (групп). Ряды 
элементов, в пределах которых свойства изменяются последовательно, называются периодами. В вертикальные столбцы (группы) попадают элементы, сходные по свойствам и обладающие одинаковой валентностью.
В первом ряду стоят два элемента - водород и гелий. Второй и 
третий ряды состоят из 8 элементов. Все три периода называются малыми 
периодами. Четвертый - большой период - состоит из двух рядов и включает 18 элементов. Пятый - большой период- также состоит из двух рядов 
(6-й и 7-й) и включает 18 элементов В 8-м ряду после лантана идут 14 элементов, называемые лантаноидами, чрезвычайно сходные по свойствам с 
лантаном. Ввиду этого сходства, обусловленного особенностью строения 
атомов, лантаноиды обычно помещают вне таблицы. 8-й и 9-й ряды образуют один большой период - шестой, содержащий 32 элемента. 
9

 
Структура периодической таблицы соответствует порядку заполнения электронных оболочек и слоев в атомах. Состояние электрона в атоме определяют четырьмя квантовыми числами: главное квантовое число 
n = 1, 2, 3; орбитальное (азимутальное) квантовое число l = 0, 1, 2 … (n - 1); 
магнитное квантовое число mi = 0,  “1, “2, … “ l; спиновое квантовое число 
ms =  “1/2. Каждому значению l соответствует 2l1 значений ml, а каждому 
ml - два значения ms. Таким образом, замкнутая оболочка, характеризуемая 
определенными значениями n и l, содержит 2(2l1) состояний электронов, 
равное числу комбинаций значений ml и ms. 
 
Состояния с заданными значениями n и l принято обозначать 1s, 
2s, 2p, 3s, где цифры указывают значение n, а буквы s, p, d, f соответствуют 
l = 0, 1, 2, 3 … Максимальное число электронов в слое с определенным 
значением n:
1
0
2(2
1)
2 .
n
l
n



œ
 
 
Таким образом, замкнутая s-оболочка (l  = 0) содержит два электрона, p-оболочка (l  = 1) - шесть электронов, d-оболочка (l  = 2) - десять 
электронов. Число же электронов в слоях с n = 1, 2, 3, 4 составляет 2, 8, 18, 
32 …
 
Максимальное распределение электронов по атомным слоям 
представлено в таблице 1.1.
Таблица 1.1
Распределение электронов по атомным слоям
K-слой (s)
L-слой (p)
M-слой (d)
N-слой (f)
N = 1
n = 2
n = 3
n = 4    
L = 0
l = 0, 1
l = 0, 1, 2
l = 0, 1, 2, 3
1s2
1s22s22p6
1s22s22p63s23p63d10
1s22s22p63s23p63d10
4s24p64d104f14
2 электрона
2  6 = 8
2  6  10 = 18
2  6  10  14 = 32
1 орбита
4 орбиты
9 орбит
16 орбит
10