Материаловедение в машиностроении

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Серия основана в 2001 году

Москва 
ИНФРА-М
2022

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ  
В МАШИНОСТРОЕНИИ 

В.П. Дмитренко 
н.Б. мануйлоВа

Рекомендовано Учебно-методическим советом СПО  
в качестве учебного пособия для студентов учебных заведений,  
реализующих программу среднего профессионального образования по специальностям  
15.02.01 «Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования (по отраслям)», 
15.02.02 «Техническая эксплуатация оборудования для производства электронной техники»,  
15.02.03 «Техническая эксплуатация гидравлических машин, гидроприводов  
и гидропневмоавтоматики», 15.02.04 «Специальные машины и устройства»,  
15.02.05 «Техническая эксплуатация оборудования в торговле  
и общественном питании», 15.02.06 «Монтаж и техническая эксплуатация  
холодильно-компрессорных машин и установок (по отраслям)»,  
15.02.08 «Технология машиностроения», 15.02.09 «Аддитивные технологии» 

учеБное ПосоБие

Дмитренко В.П.

Материаловедение в машиностроении : учебное пособие / 

В.П. Дмитренко, Н.Б. Мануйлова. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 432 с. 
+ Доп. материалы [Электронный ресурс]. — (Среднее профессиональное образование).

ISBN 978-5-16-014356-9 (print)
ISBN 978-5-16-106857-1 (online)

В учебном пособии описаны структура и свойства современных материалов, 

применяемых в машиностроении, и приведены характеристики основных представителей всех видов.

Предназначено для студентов учреждений среднего профессионального 

образования, обучающихся по специальностям УГС 15.02.00 «Машиностроение», 
и студентов вузов машиностроительных специальностей, изучающих материаловедение.

УДК 620.22(075.32)

ББК 30.3я723

Д53

УДК 620.22(075.32)
ББК 30.3я723

Д53

Подписано в печать 18.05.2018. 

Формат 60 ×90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton.  

Печать цифровая. Усл. печ. л. 27,0. ПТ2.

Цена свободная. 

TK 682970-961460-251015

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М» 

127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1 

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29 

E-mail: books@infra-m.ru        http://www.infra-m.ru

ISBN 978-5-16-014356-9 (print) 
© МАИ, 2015

ISBN 978-5-16-106857-1 (online) 
© Дмитренко В.П., Мануйлова Н.Б., 2015

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М» 

127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1 

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Материалы, отмеченные знаком 
, 

доступны в электронно-библиотечной системе Znanium.com

ВВЕДЕНИЕ

Основой современной цивилизации является использование разнообразных материалов, применяемых в различных отраслях экономики — 
строительстве, машиностроении, медицине и т.д. Разнообразие свойств 
материалов является главным фактором, предопределяющим их широкое 
применение в технике. Свойства материалов зависят от особенностей их 
внутреннего строения. Изучением строения материалов в тесной связи с их 
свойствами занимается такая наука, как материаловедение. 
Следует отметить, что в современном мире материалы и технологии очень 
тесно связаны. Если рассматривать материал как основной элемент, определяющий эксплуатационные характеристики изготовленного их этого 
материала изделия, то легко обнаружить, что материал во многом определяет 
долговечность работы изделия, форму и качество поверхности изделий, 
конструкционное решение изделия, способ изготовления, соединения 
и монтажа, стоимость продукции, а также экологические последствия эксплуатации изделия и его утилизации. Следовательно, выбор материала — это 
очень важная часть технологического процесса. Обычно выбор материала 
проходит в два этапа. На первом этапе учитывают первичные требования, 
которые задаются исходя из служебного назначения изделия. Вторичные 
требования задаются исходя из технологических условий изготовления (например, свариваемости) и экономических характеристик. Таким образом, 
для успешного решения многих практических задач по выбору материалов 
необходимы сведения о современных способах их получения и обработки, 
особенностях их свойств и рациональном применении1. 
Номенклатура современных машиностроительных материалов очень 
широка. Номенклатура — перечень названий и терминов, употребляемых 
в определенной отрасли техники — служит для упорядочения описания 
всей массы материалов, используемых для изготовления машин и других 
технических изделий. Знание номенклатуры материалов и принципов их 
классификации необходимо для обоснованного выбора материала, технологии его переработки и режимов эксплуатации в составе изделий. 
Наибольшее значение в технике имеют классификации по структурным 
и функциональным признакам материалов.
Структурный признак позволяет разделить все материалы на две большие группы — кристаллические и некристаллические. 
Для кристаллического строения характерно правильное, строго периодическое расположение частиц в пространстве. Они подразделяются: 
 
• на атомно-кристаллические;
 
• ионно-кристаллические;
 
• молекулярные; 
 
• металлические. 

1 
Мануйлова Н.Б., Мессинева Е.М. Экология материалов. Современная наука: 
тенденции развития. Материалы II Международной научно-практической 
конференции 2012 г.: Сб. науч. тр. В 3 т. Т. 3. Краснодар, 2012. С. 87–92.

В атомно-кристаллических веществах в узлах кристаллической решетки находятся отдельные атомы, между которыми существует ковалентная 
связь. В материалах с ионной кристаллической структурой ионная связь 
образуется между положительно и отрицательно заряженными ионами, 
расположенными в узлах кристаллической решетки. В молекулярно-кристаллических материалах в узлах решетки находятся молекулы, в металлических — отдельные атомы и положительные ионы, между которыми возникает металлическая связь. 
Некристаллические материалы включают:
 
• аморфные;
 
• стеклообразные;
 
• нестеклообразные в полуразупорядоченном состоянии.

Твердые материалы

Кристаллические

Атомнокристаллические

Полиморфные модификации углерода

Оксиды металлов
Силикаты, алюмосиликаты
Ситаллы
Природные каменные материалы
Карбиды, нитриды, бориды

Металлы
Сплавы металлов

Биополимеры
Синтетические полимеры
Природные силикаты

Неорганические вяжущие материалы
Твердые газы

Полимеры
Неорганическое стекло
Материалы для каменного литья

Каучуки и резины
Биополимеры
Органические вяжущие материалы
Студни полимеров

Аморфные полупроводники

Аморфные металлы и сплавы

Полупроводниковые материалы IV группы 
периодической ситемы элементов

Ионнокристаллические

Металлические
Молекулярные
Стеклообразные
Аморфные

Нестеклообразные 
в полуразупорядоченном
состоянии

Некристаллические

Классификация твердых материалов по структурному признаку

Ограниченность этой классификации состоит в том, что технические 
материалы, как правило, неоднородны по структуре и включают несколько фаз. В зависимости от количества фаз и степени неоднородности структуры материалы подразделяются:
 
• на простые, состоящие из одного элемента или соединения и имеющие 
однородную макроструктуру;
 
• композиционные, состоящие из нескольких фаз и имеющие неоднородную структуру;

• сплавы, материалы с однородной макроструктурой, образовавшиеся 
в результате затвердения расплава химически разнородных веществ.
По назначению технические материалы делят на следующие группы:
 
• конструкционные материалы — твердые материалы, предназначенные 
для изготовления изделий, подвергаемых механическим нагрузкам, 
должны обладать комплексом механических свойств, обеспечивающих 
требуемые работоспособность и ресурс изделий при воздействии рабочей среды. К ним предъявляются технологические требования, определяющие наименьшую трудоемкость изготовления изделий, и экономические, касающиеся стоимости и доступности материала;
 
• электротехнические материалы, характеризующиеся особыми электрическими и магнитными параметрами и предназначенные для изготовления изделий, применяемых для производства, передачи, преобразования и потребления электроэнергии;
 
• триботехнические материалы, предназначенные для применения в узлах трения с целью регулирования параметров трения и изнашивания 
для обеспечения заданных работоспособности и ресурса этих узлов; 
 
• инструментальные материалы, отличающиеся высокими показателями 
твердости, износоустойчивости и прочности, предназначены для изготовления режущего, мерительного, слесарно-монтажного и другого 
инструмента (инструментальная сталь и твердые сплавы, алмаз, некоторые виды керамических материалов, многие композиционные материалы);
 
• рабочие тела — газообразные или жидкие материалы, с помощью которых энергию преобразуют в механическую работу (масла в гидроприводе, воздух в пневматических системах, газообразные продукты сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания);
 
• топливо — горючие материалы, основной частью которых является 
углерод, применяемые с целью получения при их сжигании тепловой 
энергии; 
 
• технологические материалы — обширная группа вспомогательных материалов, используемых для обеспечения оптимального протекания 
технологических процессов переработки основных технологических 
материалов в изделия или обеспечения нормальной работы машин и механизмов (клеи и герметики, лакокрасочные материалы; флюсы, сварочные электроды; смазочно-охлаждающие жидкости; консервационные материалы, обеспечивающие защиту изделий от коррозии, и т.д.).
Конструкционные материалы включают следующие группы материалов:
 
• металлы и сплавы;
 
• полимерные материалы;
 
• керамики и стекла;
 
• композиционные материалы.
Авторы стремились охватить все группы материалов, применяемых 
в современном машиностроении. Учебное пособие организованно в соответствии с традиционным делением материалов по структурному признаку. 
Первая глава посвящена металлическим материалам, вторая — органическим (полимерным) материалам, третья — неорганическим неметалличе

ским материалам (стеклам, керамике, металлокерамике), четвертая — порошковым и композиционным материалам. 
Цель данного учебного пособия — дать студентам знания о природе 
и свойствах материалов, применяемых в машиностроении. В нем поставлены следующие задачи:
 
• дать представление о физико-химических основах процессов получения 
материалов и установить зависимость между составом, строением 
и свойствами материалов, а также их изменениях под воздействием 
внешних факторов;
 
• ознакомить читателей с основными группами металлических и неметаллических материалов, их свойствами и областями применения;
 
• способствовать формированию умений, позволяющих обоснованно 
выбирать при конструировании материал изделия с учетом требований 
технологичности и техносферной безопасности.
Усвоение представленного в учебном пособии материала позволит студентам изучить основные свойства современных металлических и неметаллических материалов; поможет установить зависимость между составом, 
строением и свойствами материалов; осознать физическую сущность явлений, происходящих в материалах в условиях производства, и их влияние на 
свойства; запомнить основные положения и понятия технологии авиационной отрасли; позволит овладеть приемами самостоятельного извлечения 
информации из различных источников по материаловедческим и технологическим задачам, поможет овладеть навыками обоснованного и правильного выбора материала с учетом его свойств и особенностей применения. 
Материал, представленный в книге, опирается на базовые знания по 
дисциплинам математического и естественнонаучного цикла: математике, 
физике, химии (в вопросах, посвященных структуре и номенклатуре материалов, основам строения и свойств материалов, физико-химическим процессам, происходящим в материалах при разного рода воздействиях на них).

Глава 1. 
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ 
МАТЕРИАЛЫ

Металлы и их сплавы повсеместно используются для изготовления 
конструкций машин, оборудования, инструмента и т.д. Несмотря на 
широкий круг искусственно созданных материалов (керамики, композиты), металлы служат основным конструкционным материалом 
и в обозримом будущем по-прежнему будут доминировать.

1.1. 
ОбщАя КЛАССИфИКАцИя МЕТАЛЛОВ И СпЛАВОВ. 
ОСОбЕННОСТИ Их СТРОЕНИя И СВОйСТВ

Свойства металлов разнообразны. Ртуть замерзает при температуре минус 38,8 °С, вольфрам выдерживает рабочую температуру до 
2000 °С (Тпл = 3420 °С), литий, натрий, калий легче воды, а иридий 
и осмий — в 42 раза тяжелее лития. Электропроводность серебра 
в 130 раз выше, чем у марганца. Вместе с тем металлы имеют характерные общие свойства, к которым относятся:
 
• высокая пластичность;
 
• высокие тепло- и электропроводность;
 
• положительный температурный коэффициент электрического 
сопротивления, означающий рост сопротивления с повышением 
температуры и сверхпроводимость многих металлов (около 30) при 
температурах, близких к абсолютному нулю;
 
• хорошая отражательная способность (металлы непрозрачны и имеют характерный металлический блеск);
 
• термоэлектронная эмиссия, т.е. способность к испусканию электронов при нагреве;
 
• кристаллическое строение в твердом состоянии.
Не следует, однако, абсолютизировать ни свойства, характерные 
для металлов, ни их отличия от неметаллов. Металлический блеск 
присущ только компактным металлическим образцам. Тончайшие 
листки Ag и Au (толщиной 10–4 мм) просвечивают голубовато-зеленым 
цветом. Мельчайшие порошки металлов часто имеют черный или 
черно-серый цвет. Некоторые металлы (Zn, Sb, Bi) при комнатной 
температуре хрупки и становятся пластичными только при нагревании.
Вся совокупность перечисленных выше свойств присуща типичным металлам (например, Cu, Au, Ag, Fe) при обычных условиях (атмосферном давлении, комнатной температуре). При очень высоких 
давлениях (~105–106 атм) свойства металлов могут существенно измениться, а неметаллы приобрести металлические свойства.

Многие простые вещества по одним свойствам можно отнести 
к металлам, по другим — к неметаллам. Так, Ge по внешнему виду — 
металл, в химическом отношении проявляет себя, скорее, как металл 
(легче отдает электроны, чем принимает), а по величине и характеру 
электропроводности Ge — полупроводник. Сурьма Sb имеет электросопротивление слишком большое для металла, однако температурный коэффициент сопротивления у Sb положительный и большой, 
как у металла; по способности отдавать электроны Sb также относится к металлам, As, Sb и Bi иногда называют полуметаллами. По внешнему виду Po — металл, в химическом отношении ему присущи свойства и металла, и неметалла — наряду с положительной валентностью 
(точнее, окислительным числом) проявляется и отрицательная (–2).
В природе металлы встречаются как в чистом виде, так и в рудах, 
оксидах и солях. В чистом виде встречаются химически устойчивые элементы (Pt, Au, Ag, Cu). Масса наибольшего самородка меди составляет 
420 т, серебра — 13,5 т, золота — 112 кг. Из 111 открытых элементов, представленных в периодической системе элементов Д.И. Менделеева, 76 являются металлами, Si, Ge, As, Se, Te — промежуточными между металлами и неметаллами, иногда их называют полуметаллами. Все элементы, 
расположенные левее мысленной линии, проведенной от бора до астата 
(от № 5 до № 85), относятся к металлам, а правее — в основном к неметаллам. Эта граница недостаточно четко выражена, так как среди элементов, расположенных вблизи границы, находятся и полуметаллы.
Большая способность металлов к образованию многочисленных 
соединений разного типа, к различным фазовым превращениям создает благоприятные условия для получения разнообразных сплавов, характеризующихся требуемым сочетанием полезных свойств. Число 
используемых в технике сплавов превысило уже 10 тыс. Значение сплавов как конструкционных материалов, электротехнических материалов, 
материалов с особыми физическими свойствами непрерывно возрастает. В то же время в связи с развитием полупроводниковой и ядерной 
техники расширяется производство ряда особо чистых металлов (чистотой, например, 99,9999% и выше). Большое число нежелезных металлов и широкий диапазон их свойств не позволяют классифицировать 
их по какому-либо единому признаку. В технике принята условная классификация, по которой эти металлы разделены на несколько групп по 
различным признакам (физическим и химическим свойствам, характеру залегания в земной коре), специфичным для той или иной группы. 
Благодаря таким свойствам, как прочность, твердость, пластичность, коррозионная стойкость, жаропрочность, высокая электрическая проводимость и многим другим, металлы играют громадную роль 
в современной технике, причем число металлов, находящих применение, постоянно растет. Характерно, что до начала ХХ в. многие 
важнейшие металлы — Al, V, W, Mo, Ti, U, Zr и др., либо не произво

дились вообще, либо выпускались в очень ограниченных масштабах; 
такие металлы, как Be, Nb, Ta, начали сравнительно широко использоваться лишь накануне Второй мировой войны. С 1970-х гг. в промышленности применяются практически все металлы, встречающиеся в природе.
Металлические материалы обычно делятся на две большие группы: 
 
• железо и сплавы железа (сталь и чугун), называемые черными металлами; 
 
• остальные металлы и их сплавы, называемые цветными. 
Кроме того, все цветные металлы, применяемые в технике, в свою 
очередь, делятся на следующие группы:
 
• легкие металлы Mg, Be, Al, Ti с плотностью до 5 г/см3;
 
• тяжелые металлы Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Та, Ir, Os с плотностью, 
превышающей 10 г/см3;
 
• легкоплавкие металлы Sn, Pb, Zn с температурой плавления 232; 
327; 410 °С соответственно;
 
• тугоплавкие металлы W, Mo, Та, Nb с температурой плавления 
выше, чем у железа (> 1536 °С);
 
• благородные металлы Au, Ag, Pt с высокой устойчивостью к коррозии;
 
• урановые металлы, или актиноиды, используемые в атомной технике;
 
• редкоземельные металлы (РЗМ) — лантаноиды, применяемые для 
модифицирования стали;
 
• щелочные и щелочноземельные металлы Na, К, Li, Ca в свободном 
состоянии применяются в качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах; натрий также используется в качестве катализатора в производстве искусственного каучука, а литий — для легирования легких и прочных алюминиевых сплавов, 
применяемых в самолетостроении.
С точки зрения химической термодинамики сплавы классифицируют: 
 
• по числу компонентов — на двойные, тройные и т.д.;
 
• числу фаз — на однофазные (твердый раствор или интерметаллид) 
и многофазные (гетерофазные), состоящие из двух и более фаз. 
Этими фазами могут быть чистые компоненты, твeрдые растворы, 
фазы со структурой a-, b-, g-, e-латуни, b-вольфрама, типа Cu5Ca, 
NiAs, CaF2, сигма-фазы, фазы Лавеса (названы по имени немецкого 
учeного Ф. Лавеса), фазы внедрения и др. 
По практическому получению и применению принята следующая 
классификация сплавов: 
 
• по металлам — либо являющимся основой сплава (сплавы черных 
металлов и сплавы цветных металлов, а также алюминиевые сплавы, никелевые сплавы и т.п.), либо по добавленным в небольших 

количествах и придающим особо ценные свойства легирующим 
компонентам (бериллиевая бронза, ванадиевая, вольфрамовая 
и другие стали);
 
• применению (для изготовления конструкций или инструментов) 
и свойствам — антифрикционные, жаропрочные, жаростойкие, 
износостойкие, легкие и сверхлегкие, легкоплавкие, химически 
стойкие и многие другие, а также сплавы с особыми физическими 
свойствами — тепловыми, магнитными, электрическими;
 
• технологии изготовления изделий — литейные (отливка жидких 
сплавов в формы); деформируемые (в холодном или горячем состоянии путем ковки, прокатки, волочения, прессования, штамповки); полученные методами порошковой металлургии и пр. 
Свойства большинства сплавов определяются как составом, так 
и структурой сплава, зависящей от условий кристаллизации и охлаждения, термической и механической обработки. При нагреве и охлаждении изменяется структура сплава, что обусловливает изменение 
механических, физических и химических свойств и влияет на поведение сплава при обработке и эксплуатации. Выяснение (с помощью 
диаграмм состояния) возможных фазовых превращений в сплаве дает 
исходные данные для анализа важнейших видов термической обработки (закалки, отпуска металлов, отжига, старения). Например, перед отжигом углеродистых сталей исходной структурой чаще всего 
является феррито-карбидная смесь; основное превращение, происходящее при нагревании, — это переход перлита в аустенит при температуре выше 727 °С (точка A1); закалка позволяет сохранить аустенитную структуру (так называемая закалка без полиморфного превращения, при которой происходит повышение прочности при 
сохранении пластичности сплава). Типичный пример подобного поведения для алюминиевых сплавов — закаленный дюралюмин Д16. 
Реже встречаются сплавы, у которых при закалке снижается прочность 
и сильно возрастает пластичность по сравнению с отожженным состоянием. 
Для любых металлов или сплавов, в которых при изменении температуры происходит полиморфное превращение основного компонента, при быстром охлаждении возможна закалка с бездиффузионным полиморфным превращением, которую обычно называют закалкой на мартенсит. Современная термическая обработка металлов 
и сплавов включает не только собственно термическую, но и термомеханическую обработку, химико-механическую обработку и химикотермическую обработку. В процессе таких технологических операций, 
как литье, сварка, горячая обработка давлением, сплавы могут побочно также подвергаться отдельным видам термического воздействия 
и изменять свои свойства.