Материаловедение

А.А. ЧЕРЕПАХИН

УЧЕБНИК

Москва
КУРС 

ИНФРА-М 

2022

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 

Рекомендовано  

Экспертным советом при ГБОУ УМЦ по ДОгМ для использования 

в образовательном процессе профессиональных образовательных  

организаций города Москвы в качестве учебника по специальностям  
15.02.07 «Автоматизация технологических процессов и производств  

(по отраслям)», 13.02.10 «Электрические машины и аппараты»,  

15.02.08 «Технология машиностроения», 22.02.03 «Литейное  

производство черных и цветных металлов»

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Удк 620.22(075.8)
ббк к2я73+к43я73

ISBN 978-5-906923-18-9 (КУРС)
ISBN 978-5-16-012677-7 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102677-9 (ИНФРА-М, online)
Учебник написан в соответствии с требованием государственного обра
зовательного стандарта преподавания общепрофессиональной дисциплины «Материаловедение».

В учебнике подробно рассмотрены виды и свойства материалов, теоре
тические и практические вопросы воздействия на их структуру и свойства 
различных факторов (температурных, силовых, физико-химических).

Для студентов машиностроительных сузов конструкторских и техноло
гических направлений.

УДК 620.22(075.8)
ББК К2я73+К43я73

Ч46

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

Черепахин А.А.

Материаловедение : учебник / А.А. Черепахин. — Москва: 
КУРС: ИНФРА-М, 2022. — 336 с. — (Среднее профессиональное образование).

Ч46

© Черепахин А.А., 2017
© КУРС, 2017

ISBN 978-5-906923-18-9 (КУРС)
ISBN 978-5-16-012677-7 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102677-9 (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 

внутреннее строение и свойства материалов и закономерности их 
изменения под воздействием внешних факторов: тепловых, механических, химических, электромагнитных, радиоактивных. Теоретической основой материаловедения являются соответствующие разделы 
физики и химии твердого тела, однако наука о материалах развивается в основном экспериментальным путем.

Условия работы современных изделий машиностроения часто 

требуют увеличения эксплуатационных характеристик материалов, 
что во многом определяется крупными достижениями в теории 
и практике материаловедения. В настоящее время широкое применение нашли новые высокопрочные металлические материалы различного назначения, композиционные материалы, материалы с особыми свойствами (полупроводники и жидкие кристаллы, сверхпроводники, аморфные сплавы), одновременно совершенствовались 
способы упрочнения деталей термической и химико-термической 
обработкой.

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, дерево и т. д.); композиционные материалы (могут быть на основе систем «металл —  
металл», «металл —  неметалл», «неметалл —  неметалл»).

Глава 1

Металлические Материалы

Из 109 описанных в Периодической системе Д. И. Менделеева 

химических элементов более 80 являются металлами и обладают такими характерными для металлов свойствами, как высокая пластичность, ковкость, высокие тепло- и электропроводность, 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, способность к термоэлектронной эмиссии (испускание электронов при нагревании). Все металлы, за исключением ртути, в обычных условиях —  твердые 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, содержащих 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. строение металлических материалов

Атомы металлов характеризуются малым количеством (1–2) 

электронов на наружной электронной оболочке, поэтому их ионизационный потенциал невелик, что и объясняет легкость отрыва 
у них внешних электронов; при этом атомы превращаются в положительно заряженные ионы, «омываемые газом» из свободных коллективизированных отрицательно заряженных электронов. Таким 
образом, устойчивость металла, представляющего собой ионноэлектронную систему, определяется силами притяжения и отталкивания между ионами и обобщенными электронами, образуя металлическую связь. Атомы в металле располагаются на расстояниях друг 
от друга, соответствующих минимальной суммарной силе взаимодействия, образуя правильную кристаллическую решетку, соответствующую минимальной энергии взаимодействия.

Свойства кристаллов зависят от электронного строения атомов 

и характера взаимодействия их в кристалле, а также от пространственного расположения атомов и их химического состава. Чистые 
металлы, как правило, обладают низкой прочностью и применяются 
сравнительно редко. Наиболее широко в современной технике используются сплавы, состоящие из двух или более элементов, которые 
называются компонентами. Компоненты образуют фазы —  составные 
части системы, имеющие одинаковый состав и агрегатное состояние, 
отделенные от других фаз границей раздела, при переходе через которую свойства меняются скачком. Форма, размеры, характер взаимного расположения фаз в металлах или сплавах описываются понятием «структура». При исследованиях кристаллической структуры 
металлов и сплавов изучаются макро- и микроструктуры, а также 
тонкая (атомная) структура.

Макроструктура изучается невооруженным глазом или при не
больших увеличениях с помощью лупы и позволяет выявить характер 
излома, усадочные раковины, поры, размеры и форму крупных кристаллов. Используя специально подготовленные шлифованные 
и травленые образцы, определяют наличие трещин, химическую неоднородность (ликвацию), волокнистость.

Несмотря на простоту, исследование макроструктуры дает общую 

картину кристаллического строения металла или сплава в больших 
объемах и позволяет выбрать характерные участки структуры для 
дальнейших, более детальных исследований.

Исследование микроструктуры проводят с помощью оптических 

и электронных микроскопов на специально приготовленных образ

цах (микрошлифах, фольгах). Микроскопические методы дают возможность определить размеры и форму кристаллов, их распределение и относительные объемные количества, форму инородных включений и микропустот, ориентирование кристаллов, наличие 
специальных кристаллографических признаков и другие особенности микроструктуры металлов и сплавов.

Тонкую или атомную структуру изучают с помощью дифракцион
ных методов анализа (рентгенография, электронография, нейтронография). Анализируя дифракционную картину, полученную при 
взаимодействии атомов кристалла с короткими волнами (l = 10-10–
10-12 м) рентгеновских лучей (или волн электронов, нейтронов), 
можно получить информацию о расположении атомов в кристаллической решетке и расстояниях между ними, т. е. определить тип кристаллической решетки материала.

Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую про
странственную сетку, в узлах которой располагаются атомы (ионы), 
образующие твердое кристаллическое тело (рис. 1.1). Жирными линиями выделен наименьший параллелепипед (кристалл), последовательным перемещением которого в пространстве вдоль трех осей 
могут быть построены вся решетка или кристалл. Наименьший параллелепипед (кристалл), дающий представление об атомной структуре и свойствах металла во всем объеме, называется элементарной 

X

Z

Y

c

b

a
α

β

γ

рис. 1.1. Схема кристаллической решетки:

ОX, ОY, ОZ —  координатные оси: a, b, c, α, β, γ —  линейные и угловые харак
теристики решетки

ячейкой. Для описания элементарной ячейки кристаллической решетки используют три отрезка (а, в, с), равные расстояниям до ближайших соседей по осям координат, и три угла (α, β, γ) между этими 
отрезками.

Большинство металлов имеют кристаллическую решетку одного 

из трех типов: объемно-центрированный куб —  ОЦК (рис. 1.2, а) — 
имеют металлы: К, Na, Li, Ti, Zrβ, W, Ta, Feα, Cr и др.; гранецентрированный куб —  ГЦК (рис. 1.2, б) —  имеют металлы: Feβ, Sr, Tn, Pb, 
Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Cu, Coα и др.; гексагональную плотноупакованную —  ГПУ (рис. 1.2, в) —  имеют металлы: Mg, Tiα, Cd, Os, Zn, Coβ 
и др.

Размеры кристаллической решетки характеризуются величинами 

периодов (а, b, с), под которыми подразумевают расстояние между 
ближайшими параллельными атомными плоскостями, образующими 

а)
б)

в)

a
a
b

a

z

y

x

г)

[111]

[010]

[110]

z

y

x
(111)

(010)

010
[
]

010
[
]

рис. 1.2. Кристаллические решетки металлов:

а —  объемно-центрированный куб; б —  гранецентрированный куб; в — гексагональная плотноупакованная решетка; г —  кристаллографические индексы; a, b —  характеристики решетки; x, y, z —  координатные оси; [010], 

[110], [111] —  индексы направления; (010), (111) —  индексы плоскости

элементарную ячейку. Периоды решетки выражаются в нанометрах 
(1 нм = 10-11 м). Для простой пространственной решетки (атомы находятся только в вершинах) на одну элементарную ячейку всегда 
приходится один атом.

Каждая ячейка имеет восемь вершин, соответственно восемь ато
мов, но каждый атом относится, в свою очередь, к восьми соседним 
ячейкам. Таким образом, от атома на долю каждой ячейки приходится 1/8 объема атома, а на всю ячейку (1/8) ⋅ 8 = 1 атом. Кристаллические решетки, характерные для металлов, имеют сложное 
строение, так как атомы (ионы) располагаются не только в узлах 
(вершинах), но и на гранях или в центре решетки. Так, на одну элементарную ячейку ОЦК приходится два атома —  один в центре, другой —  в вершинах куба (1 + 8 ⋅ 1/8); на ячейку ГЦК — четыре атома —  
один в вершинах куба и три на его гранях (8 ⋅ 1/8 + 6 ⋅ 1/2); на ячейку 
ГПУ —  шесть атомов (3 + 12 ⋅ 1/6 + 12 ⋅ 1/2 = 6).

Основные характеристики кристаллической решетки (тип, пе
риод, количество атомов в элементарной ячейке) определяют расположение атомов в кристалле. Плотность кристаллической решетки 
характеризуется координационным числом (К — для кубической 
и Г —  для гексагональной решетки), равным числу ближайших равноудаленных соседей. В элементарной ячейке ОЦК расстояние 
между атомами равно 0 5 3
,
a и координационное число равно 

восьми —  К8, для ГЦК координационное число равно К12 и для 
ГПУ —  Г12. Отношение объема всех атомов, приходящихся на одну 
элементарную ячейку, ко всему ее объему определяется коэффициентом компактности. Для ОЦК-решетки он составляет 0,68, а для 
ГЦК- и ГПУ-решеток коэффициент компактности равен 0,74.

Кристаллографические индексы

Для определения индексов направления расположения ряда ато
мов (рис. 1.2, г) в кристаллической решетке необходимо из семейства 
параллельных прямых выбрать одно направление, проходящее через 
начало координат, которое будет первой точкой.

Второй точкой является узел кристаллической решетки, занима
емый атомом. Координаты этого узла выражают целыми числами A, 
B, C в единицах отрезков а, в, с, заключают в квадратные скобки 
[A, B, C] и называют индексами направления. Отрицательные значения 
индексов обозначают знаком «минус» над ним. Положение плоскостей в пространстве определяется отрезками, отсекаемыми плоскостью по координатным осям. Эти отрезки выражаются целыми числами m, n, p в единицах отрезков а, в, с. За индексы плоскостей берут 

обратные отрезки: h = 1/m; k = l/n, l = 1/p, которые заключают 
в круглые скобки (h, k, l). Если плотность отсекает по осям отрицательные отрезки, то над соответствующим индексом ставят знак «минус».

Анизотропия

В кристалле расстояния между атомами в различных кристалло
графических направлениях неодинаковы, поэтому и свойства кристаллических тел зависят от направления, т. е. возникает анизотропия.

В отличие от монокристаллов технические металлы являются по
ликристаллами, состоящими из большого количества различно ориентированных анизотропных кристаллов. В этом случае анизотропии 
нет, так как среднестатистическое расстояние между атомами 
по всем направлениям оказывается примерно одинаковым, т. е. поликристаллическое тело является изотропным. Однако в процессе 
обработки давлением поликристалла возникает преимущественная 
ориентировка кристаллографических индексов в каком-то направлении. После такой обработки поликристалл становится текстурованным и анизотропным.

Дефекты кристаллической решетки

Реальный кристалл отличается от идеального наличием различ
ных структурных несовершенств —  дефектов, которые могут быть 
точечными, линейными, поверхностными и объемными. Размеры 
точечных дефектов близки к межатомному расстоянию. У линейных 
дефектов длина на несколько порядков больше ширины, у поверхностных дефектов мала толщина, а ширина и длина больше ее на несколько порядков. Объемные дефекты (поры, трещины) имеют значительные размеры во всех трех направлениях.

К точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы 

основного вещества, чужеродные атомы внедрения и замещения.

Вакансией называется пустой узел кристаллической решетки. 

Атом, перемещенный из узла в позицию между узлами, называется 
межузельным. Если чужеродный атом находится между узлами или 
на ребрах решетки, то это атом внедрения, а в случае его расположения в свободном узле кристаллической решетки —  атом замещения.

Рассмотрим механизм образования вакансий в кристалле. Вокруг 

узлов решетки (точек равновесия) атомы совершают колебательные 
движения. Чем выше температура тела, тем больше энергия атомов 
и амплитуда их колебаний. Отдельные атомы реального тела всегда 
имеют энергию и амплитуду колебаний выше средней. Эти атомы 

могут покидать свои места в кристаллической решетке и перемещаться между ее узлами (рис. 1.3, а, атом 1).

Место, где находится атом 1 (вакансия), занимает атом 2 из более 

глубоких слоев, на его место перемещается атом 3 и т.д., т. е. вакансия 
продвигается в глубь кристалла, при этом происходит искажение 
кристаллической решетки. Источником тепловых вакансий являются свободные поверхности, границы и субграницы кристаллов, 
пустоты и трещины. При температуре, близкой к температуре плавления, число вакансий может достигать 1–2% от числа атомов в теле. 
Также вакансии могут образоваться в результате пластической деформации, рекристаллизации и при бомбардировке металла атомами 
или частицами высоких энергий.

Важнейшими видами линейных несовершенств являются краевые 

и винтовые дислокации.

Сдвинем часть идеального кристалла на одно межатомное рас
стояние, например, влево (рис. 1.3, б). В таком случае в верхних рядах кристалла оказалось на один атом больше, чем в нижних, и образовалась лишняя плоскость 4–5 (экстраплоскость). Линия, перпендикулярная направлению сдвига кристалла, является краем 
экстраплоскости. Она называется линейной краевой дислокацией и может достигать многих тысяч межатомных расстояний.

Разрежем кристалл плоскостью G и часть его сдвинем вверх 

на одно межатомное расстояние (рис. 1.3, в). Горизонтальные атомные плоскости изогнутся, и край каждой плоскости сомкнется 
с краем ближайшей соседней плоскости. Расположение атомов 
в сдвинутой (АВ) и несдвинутой части (СD) даст винтовую линию. 
На рис. 1.3, г белыми кружками обозначены атомы сдвинутой части, 
черными — несдвинутой. Линия ЕF представляет собой винтовую 
дислокацию, при наличии которой кристалл как бы состоит из закрученных по винту кристаллографических плоскостей. Вокруг дислокаций решетка искажена, поэтому они служат местом концентрации примесных атомов, в особенности примесей внедрения, которые мешают движению дислокаций и упрочняют металл.

Реальное твердое тело имеет поликристаллическое строение, 

т. е. состоит из множества кристаллов, соприкасающихся между собой. Отдельные кристаллы, образованные из множества элементарных кристаллов, получили название зерен. На границах соседних 
зерен и образуются поверхностные дефекты, представляющие собой 
переходную область шириной 3–4 межатомных расстояния. В этой 
области решетка одного кристалла переходит в решетку другого, 
имеющего иную кристаллографическую ориентацию (рис. 1.4, а),