Материаловедение и технология материалов

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 
И ТЕХНОЛОГИЯ 
МАТЕРИАЛОВ

Москва
ИНФРА-М
2021

УЧЕБНИК

Г.П. ФЕТИСОВ
Ф.А. ГАРИФУЛЛИН

Рекомендовано 
Научно-методическим советом по материаловедению
и технологии конструкционных материалов 
при Минобрнауки РФ в качестве учебника для бакалавров
высших учебных заведений инженерно-технического профиля

УДК 620(075.8)
ББК 30.3я73
 
Ф45

Фетисов Г.П.

Материаловедение и технология материалов : учебник / Г.П. Фе
тисов, Ф.А. Гарифуллин. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 397 с. — 
(Высшее образование: Бакалавр иат). — DOI 10.12737/3557.

ISBN 978-5-16-006899-2 (print)
ISBN 978-5-16-101391-5 (online)

В учебнике рассмотрены структура, строение и свойства металлических 

и неметаллических материалов, механические характеристики этих материалов и методы их оценки, а также методы термической и химико-термической обработки; изложены основы теории и технологии получения заготовок 
 литьем, давлением, механической обработкой, сваркой и пайкой.

Учебник предназначен для бакалавров высших учебных заведений, обуча
ющихся по машиностроительным специальностям.

УДК 620(075.8)

ББК 30.3я73

Р е ц е н з е н т ы:

В.М. Матютин, д-р техн. наук, проф. кафедры «Технология ме
таллов» Московского энергетического института (ТУ); 

Г.Н. Гаврилов, д-р техн. наук, проф. кафедры «Материаловеде
ние и технология новых материалов» Нижегородского государственного технического университета

Ф45

©  Фетисов Г.П., 

Гарифуллин Ф.А., 2014

ISBN 978-5-16-006899-2 (print)
ISBN 978-5-16-101391-5 (online)

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

Предисловие

Материаловедение и технология материалов относятся к тем дис
циплинам, которые формируют основу инженерной подготовки технического специалиста, являются показателями его технической 
образованности. Наличие необходимых материалов, технологических процессов позволяет претворить идею, замысел разработчика, 
конструктора в конкретное изделие — нужную для человека техническую продукцию. Повышение качества изделий, рост производительности труда, а в итоге — конкурентоспособности потребовали 
создания материалов с уникальными свойствами и новых технологических процессов их обработки. Особенно это заметно в авиационно-космической, электронной, радиотехнической, атомной промышленности. Поэтому справедливо утверждение, что производственный и экономический потенциал любой страны в значительной 
степени определяется состоянием ее материаловедческой и технологической базы. Если в далекие годы технологию могли рассматривать 
как простое ремесло, то сейчас материаловедение и технология представляют собой обширную, сложную область знаний, базирующуюся 
на многих смежных, и прежде всего фундаментальных, науках — физике, химии, математике.

Этот учебник позволит учащемуся войти подготовленным в ин
тересный мир производства, обеспечит ему базу для изучения последующих дисциплин технологического цикла.

Часть 1 «Материаловедение» написана профессором Ф.А. Гари
фуллиным, часть 2 «Технология материалов» — профессором 
Г.П. Фетисовым.

Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам — про
фессорам Г.Н. Гаврилову и В.М. Матюнину за ценные предложения 
по улучшению содержания учебника.

Часть 1 

МАТериАловедеНие

введеНие

Материаловедение как наука занимается изучением строения ма
териалов в тесной связи с их свойствами.

Первые шаги на пути к реальному пониманию свойств мате
риалов были сделаны с наступлением XIX в. Начало этому положила 
химия, затем физика. Теоретическая химия оказалась весьма полезной и при решении практических вопросов, способствовала появлению более эффективных методов обработки материалов. Так, 
известный физик Майкл Фарадей (1791–1867) применил химический анализ при изучении свойств булатной стали. Затем знаменитый русский металлург Павел Петрович Аносов (1796–1851) при 
исследовании структуры булатной стали одним из первых (в 1831 г.) 
использовал микроскоп. Он увидел, что булатные узоры связаны 
со структурой стали и с ее механическими свойствами. Анализ структуры металлов и различных минералов с помощью оптического микроскопа в дальнейшем нашел широкое распространение в трудах 
английского геолога Генри Сорби (1826–1908).

Эти первые наблюдения изменений, происходящих с внутренней 

структурой металла, а также новые сведения о составе вещества, полученные с помощью химии, существенно изменили представления 
о возможности проникновения в природу материалов.

В последней четверти XIX в. химия и физика уже играли клю
чевую роль в развитии многих сложившихся к тому времени отраслей, связанных с производством материалов. Здесь уместно отметить роль русского ученого Дмитрия Константиновича Чернова 
(1839–1921) в становлении науки о материалах. На заседании Российского технического общества в 1868 г. он сообщил об открытии 
критических точек сталей, впоследствии названных «точками Чернова». На основе глубокого научного анализа Д.К. Чернов объяснил 
удивительные свойства булатной стали. Его труды ускорили становление науки о материаловедении как точной науки.

В XX столетии химикам и физикам удалось сделать ряд фундамен
тальных открытий, на которые опираются все современные разра

ботки новых материалов и технологические методы их получения 
и обработки.

Основной вклад науки в рассматриваемую область состоял в том, 

что ученые установили взаимосвязь между внешне проявляющимися 
свойствами материалов и их внутренним строением. Как выяснилось, материалам свойственна определенная внутренняя архитектура, иными словами — иерархическая последовательность структурных уровней, что объясняло многообразие проявляемых материалами свойств. Это предполагало, что поведение того или иного 
материала можно предсказать заранее, если тщательно изучить его 
внутреннюю архитектуру.

Появление новых приборов и методов позволило глубже проник
нуть в природу материалов. П.П. Аносов и Г. Сорби с помощью оптического микроскопа сумели разглядеть лишь микроструктуру 
стали. Со временем на смену оптическому пришел электронный 
микроскоп, позволивший увидеть элементы субструктуры, а затем — 
растровый электронный микроскоп, с помощью которого стало возможным получать информацию о пространственной структуре 
 поверхности. Картину пространственного расположения атомов 
и молекул в кристалле можно получить методом дифракции рентгеновских лучей, а характерные особенности атомов того или иного 
материала — различными методами спектроскопии, основанными 
на возбуждении атомов исследуемого материала.

Раскрытие внутренней структуры материалов создало основу для 

понимания твердого состояния вещества вообще и конкретных материалов в частности. Объединение знаний, полученных теоретическим и опытным путем, позволило не только разработать более 
эффективные методы обработки природных материалов, но и создать огромное количество новых искусственных материалов, таких 
как синтетические волокна и пластмассы; высоконапряженные и жаропрочные металлические сплавы; стеклянные волокна, используемые в качестве оптических волноводов; магниты, изготовленные 
из редкоземельных химических элементов; различные виды высоконапряженной керамики; композиты и полупроводники, составляющие основу современной микроэлектроники.

Эти результаты достигнуты наукой, сформировавшейся на основе 

интеграции различных дисциплин и получившей название материаловедение. Ее представители имеют дело с изучением взаимосвязей 
между структурой, свойствами и поведением материалов, а также 
от методов обработки материалов.

раздел I 

сТрУКТУрА МАТериАлов

Глава 1 

КрисТАллиЧесКое сТроеНие  

ТвердЫХ Тел

1.1. КрисТАллЫ

Различают два вида твердых тел: кристаллические и аморфные. 

Примером кристаллического тела является каменная (или поваренная) соль. Типичный пример аморфного тела — обыкновенное 
стекло. У аморфного тела отсутствует определенная температура 
плавления. В этом состоит одно из основных его отличий от кристаллического. Вместо фиксированной температуры плавления у аморфного тела наблюдается более или менее растянутый интервал размягчения, в котором оно переходит из твердого в жидкое состояние.

Кристаллы — это вещества, в которых составляющие их частицы 

(то есть атомы, ионы, молекулы, группы атомов) расположены правильными, симметричными, периодически повторяющимися рядами, сетками, решетками. В природе вырастают кристаллы природных минералов. На заводах и в лабораториях выращивают синтетические кристаллы.

Всякий кристалл состоит из отдельных атомов одного или не
скольких видов. Совокупность атомов образует то, что называется 
кристаллической решеткой (рис. 1.1). Эта строгая пространственная 
периодичность в структуре кристалла — характерная его черта. Силы 
связи между атомами заставляют частицы в кристалле собираться 
в кристаллические решетки и вырастать в виде многогранников. 
И характерна для кристалла не сама многогранная форма, не результат роста, а способность расти в такой форме; эта способность 
не исчезает.

Решетку можно описать с помощью периодически повторяюще
гося в пространстве элементарного параллелепипеда — элементарной ячейки. Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла, называется элементарной кристаллической ячейкой. На рис. 1.1 она выделена жирным.

1.2. ТиПЫ связей

Природа сил, удерживающих ионы, атомы или молекулы в опре
деленных местах кристаллической решетки, определяет строение 
кристалла и его свойства. Характер связи, возникающей между элементарными частицами в кристалле, формируется электронным 
строением атомов, вступающих во взаимодействие. Элементарные 
частицы в кристалле сближаются на расстояние, которое обеспечивает кристаллу наибольшую термодинамическую стабильность. 
Силы притяжения возникают благодаря взаимодействию электронов 
с положительно заряженным ядром собственного атома, а также 
с ядрами соседних атомов. Силы отталкивания возникают в результате взаимодействия положительных ядер соседних атомов при их 
сближении (рис. 1.2).

рис. 1.1. Кристаллическая решетка

рис. 1.2. Силы взаимодействия двух атомов (а) и изменения  

потенциальной энергии атомов в кристаллической решетке (б)

Уравновешивание сил происходит при сближении элементарных 

частиц на расстояние R0. Сближению соответствует минимум 
энергии, что делает кристалл термодинамически устойчивым.

По характеру все связи внутри кристалла подразделяют на кова
лентные, ионные, металлические, силы Ван-дер-Ваальса.

Ковалентная связь встречается в органических молекулах и кера
мике, когда атомы совместно владеют парой электронов. В случае 
ковалентной связи предполагается, что электроны находятся 
«в общем пользовании» или «распределены» между двумя ядрами, 
участвующими в образовании связи.

Ионная связь. Если взаимодействие двух нейтральных атомов со
провождается истинным переносом электрона от одного атома к другому, то говорят, что связь в образовавшейся молекуле ионная или 
электровалентная. Такая связь встречается между положительно 
и отрицательно заряженными элементами, или ионами.

Если ковалентная связь является направленной, то ионные силы 

стремятся равномерно распределяться вокруг элементов.

Металлическая связь возникает в металлах и их сплавах, когда 

не образуются химические соединения. В металлическом кристалле 
валентные энергетические зоны атомов перекрываются, образуя 
общую зону с подуровнями. Это дает возможность валентным электронам свободно перемещаться в пределах этой зоны от атома 
к атому. Происходит обобществление валентных электронов в объеме 
всего кристалла. Валентные электроны в металле нельзя считать потерянными или приобретенными атомами. Они обобществлены атомами в объеме всего кристалла, в отличие от кристаллов с ковалентной связью, в которых такое обобществление ограничено одной 
группой атомов. Металлическая связь ненаправленная, поэтому 
каждый атом стремится притянуть к себе как можно больше соседних атомов. Следствием этого является большая компактность 
кристаллических структур металлов.

Металлическая связь образуется относительно легко и легко раз
рушается, она слабее ковалентной связи.

Электронное облако внутри решетки можно привести в движение 

с помощью электрического поля, следовательно, металл — хороший 
проводник электричества.

Большая тепловая проводимость металлов обеспечивается нали
чием этого облака электронов. Если часть металла нагрета, то кинетическая энергия электронов в данной области возрастает. 
Электроны распространяются по всему металлу, вызывая, таким 
образом, рост температуры во всей решетке.

Силы Ван-дер-Ваальса не имеют направленного характера, так как 

мгновенный диполь образуется с каждым из соседних атомов. В результате атомы, стремясь увеличить число соседей в кристаллической 
решетке, укладываются наиболее компактным образом.

Энергия связи сил Ван-дер-Ваальса невелика, поэтому молеку
лярные кристаллы имеют низкую температуру плавления и испарения.

1.3. видЫ КрисТАллов

Кристаллическое вещество вообще является плотноупако- 

ванным агрегатом из атомов и ионов, так как благодаря ван-дер-ваальсовым, кулоновским и другим взаимодействиям наиболее стабильными являются структуры, в которых межатомные расстояния 
имеют минимально возможные значения.

Металлы имеют преимущественно три типа ячеек:
1. Объемно-центрированная кубическая структура (ОЦК), пока
занная на рис. 1.3, содержит атом в каждой вершине единичной 
ячейки, один атом находится в центре куба.

2. Гранецентрированная кубическая структура (ГЦК), представ
ленная на рис. 1.4, содержит атом в каждой вершине куба и один 
атом в центре каждой грани куба; атом в центре объема отсутствует. 
Это плотноупакованная кубическая структура.

3. Плотноупакованная гексагональная структура (ГПУ) показана 

на рис. 1.5. Каждый атом в слое находится непосредственно 

рис. 1.3. Объемно-центрированная кубическая структура: 

а — единичная ячейка; б — кристаллическая решетка

в верхнем и нижнем промежутках трех атомов в соседних слоях. 
Также каждый атом соприкасается с шестью атомами в нижнем слое, 
тремя атомами сверху и тремя атомами снизу.

1.4. АНизоТроПия КрисТАллов

Плотность расположения атомов по различным плоскостям нео
динакова.

Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плос
костях и направлениях решетки многие свойства (химические, физические, механические) каждого кристалла зависят от направления 
вырезки образца по отношению к направлениям в решетке. По
рис. 1.4. Гранецентрированная кубическая структура: 

а — единичная ячейка; б — кристаллическая решетка

рис. 1.5. Плотноупакованная гексагональная структура