Художественное материаловедение. Металлы

 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

Р. Н. Аскарова, В. А. Рязанова

ХУДОЖЕСТВЕННОЕ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

МЕТАЛЛЫ

Учебное пособие

Казань

Издательство КНИТУ

2020

УДК 621.7(075)
ББК 85.125я7

А90

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. В. Г. Хозин

канд. техн. наук, доц. И. В. Женжурист

А90

Аскарова Р. Н.
Художественное материаловедение. Металлы : учебное пособие / 
Р. Н. Аскарова, В. А. Рязанова; Минобрнауки России, Казан. нац. ис-
след. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2020. – 100 с.

ISBN 978-5-7882-2833-4

Представлена классификация черных и цветных металлов, используемых в 

современном производстве художественных изделий. Описываются строение металлов 
и сплавов на их основе, дефекты кристаллического строения и способы, 
позволяющие осуществлять упрочнение материалов. Представлены диаграммы 
состояния сплавов.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 29.03.04 «Тех-

нология художественной обработки материалов», изучающих дисциплину «Ху-
дожественное материаловедение».

Подготовлено на кафедре технологии конструкционных материалов.

ISBN 978-5-7882-2833-4
© Аскарова Р. Н., Рязанова В. А., 2020
© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2020

УДК 621.7(075)
ББК 85.125я7

О Г Л А В Л Е Н И Е

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................5

1. КАЧЕСТВО МАТЕРИАЛОВ И ЕГО ОЦЕНКА...................................9

2. СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ .....................................................................12

2.1. Атомно-кристаллическое строение металлов...............................12

2.2. Типы металлической связи. Типы кристаллических решеток....12

2.3. Анизотропия кристаллов.................................................................14

2.4. Процессы плавления и кристаллизации ........................................15

2.5. Металлические сплавы. Диаграммы состояния............................20

3. СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ ....................................................................30

3.1. Физические свойства металлов ......................................................30

3.2. Химические свойства.......................................................................32

3.3. Технологические свойства ..............................................................33

3.4. Механические свойства материалов..............................................35

3.5. Электрические свойства материалов .............................................43

3.6. Эксплуатационные свойства...........................................................45

4. КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ............................................................46

4.1. Классификация металлов и сталей  по химическому составу ....47

4.2. Классификация сталей и сплавов  по назначению .......................49

4.3. Классификация сталей и сплавов  по микроструктуре................55

4.4. Классификация сталей и сплавов по качеству..............................55

4.5. Классификация сталей и сплавов  по применению......................56

4.6. Классификация сталей и сплавов по способу производства и 
степени раскисления...............................................................................57

4.7. Влияние углерода и примесей  на свойства стали .......................59

5. КЛАССИФИКАЦИЯ ЧУГУНОВ.........................................................61

6. ДЕФОРМАЦИЯ И РАЗРУШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ..............................65

7. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ.............................................71

8. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ .........................78

9. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО...........................................................84

10. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ ......................................94

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК....................................................100

В В Е Д Е Н И Е

Основная задача учебного пособия – помочь студентам сформировать 
представление о различных материалах, способах и технологии 
их получения и обработки, структуре и свойствах, методах 
оценки качества.

В пособии дана классификация черных и цветных металлов, используемых 
в современном производстве художественных изделий. 
Описываются строение металлов и сплавов на их основе, дефекты кристаллического 
строения и способы упрочнения материалов. Представлены 
диаграммы состояния сплавов.

В общем смысле материаловедение – наука о связях между составом, 
строением и свойствами материалов и закономерностях их изменений 
при внешних физико-химических воздействиях. В частности,
художественное материаловедение затрагивает изучение тех материалов, 
из которых предполагается изготовление изделий путем их художественной 
обработки.

Все материалы по химической основе делятся на две основные 

группы – металлические и неметаллические. К металлическим относятся 
металлы и их сплавы. Металлы составляют более 2/3 всех известных 
химических элементов. В свою очередь, металлические материалы 
делятся на черные и цветные.

К черным относятся железо и сплавы на его основе – стали и чугуны. 
Все остальные металлы относятся к цветным (в том числе и драгоценные). 
Чистые металлы обладают низкими механическими свойствами 
по сравнению со сплавами, и поэтому их применение ограничивается 
теми случаями, когда необходимо использовать их специальные 
свойства (например, магнитные или электрические).

Практическое значение различных металлов неодинаково. Черные 
металлы наибольшее применение приобрели в строительстве и технике. 
На основе железа изготавливают более 90 % всей металлопродукции. 
Однако цветные металлы обладают целым рядом ценных физико-
химических свойств при изготовлении художественных изделий, которые 
делают их незаменимыми. Из цветных металлов наибольшее промышленное 
значение имеют алюминий, медь, магний, титан и др. В художественном 
и ювелирном производстве особое место занимают драгоценные 
металлы.

Художественная обработка металлов известна со времен глубокой 
древности. Человек, встретив на своем пути золото, был очарован 
его красотой, поражен способностью в любых условиях сохранять солнечный 
цвет и блеск, легко поддаваться обработке. Использовав эти качества 
металла в сочетании с гармонией линий и форм, человек создал 
один из неподражаемых видов народного художественного творчества. 
Благодаря красоте материала талант и техническое мастерство исполнителя 
позволили придать изделиям изысканность, высокую художественную 
ценность, особую выразительность.

Вначале для художественной обработки человек использовал 

только золото, затем постепенно стал применять и другие металлы и их 
сплавы. Изделия, созданные мастерами, призваны служить не только 
в качестве украшений и предметов быта. Они способны нести в себе 
воспитательное начало: удовлетворять эстетические потребности человека, 
формировать его художественный вкус, культуру, пробуждать интерес 
к творчеству.

Учебное пособие предназначено для студентов бакалавриата 

и магистратуры, обучающихся по направлениям 29.03.04 «Технология 
художественной обработки материалов», 22.03.04 и 22.04.01 «Материаловедение 
и технологии материалов», а также для преподавателей вуза 
по данным направлениям.

Историческая справка. История относит железо к числу первых 

металлов, доставшихся человеку в самородном состоянии. Но если 
медь, золото, серебро довольно часто встречаются на Земле в виде приготовленных 
природой слитков, то отыскать на нашей планете самородок 
железа – задача практически нереальная. Дело в том, что в условиях 
земной атмосферы железо быстро окисляется, превращаясь в ржавчину. 
В то же время археологи нашли множество предметов, изготовленных 
из железа еще тогда, когда человек не умел выплавлять металл из руды. 
Исследования показали, что железо имело космическое происхождение: 
оно входит в состав метеоритов, падавших на нашу планету. Неслучайно 
на некоторых языках железо именуется небесным камнем.

Древние мастера охотно использовали этот прочный и вместе 

с тем относительно легко обрабатываемый материал для изготовления 
различных изделий путем холодной ковки, не задумываясь о происхождении 
железной массы.

Одно из самых ранних железных изделий найдено в Египте – это 

ожерелье из прокованных полосок метеоритного железа, датируемое 
IV в. до н. э. К концу того же тысячелетия относится и кинжал из

метеоритного железа, найденный на юге Месопотамии, где когда-то 
находился шумерский город-государство Ур (на территории нынешнего 
Ирака).

У метеоритного железа был один весьма существенный недостаток: 
метеориты не падали по заказу, а нужда в железе была постоянной. 
Люди стремились научиться извлекать железо из руд. Овладев искусством 
выплавки этого металла, древние металлурги познали затем 
тайну его науглероживания и последующей закалки. Конкурировать 
с таким металлом меди и ее сплавам было не по силам – на смену бронзовому 
веку пришел век железный.

До последнего времени историки на основании археологических 

данных предполагали, что центром зарождения металлургии железа 
было хеттское царство, существовавшее в Малой Азии (в Восточной 
Анатолии) во II тысячелетии до нашей эры. Многие ученые разделяли 
гипотезу, согласно которой хетты изобрели железоделательный процесс 
и держали его технологию в строжайшей тайне. Именно железу, 
которым они располагали в значительном количестве, государство хеттов 
во многом обязано своим расцветом, приходившимся на ХVI–
ХIII века до н. э. В начале ХII в. до н. э. государство хеттов распалось 
и прекратило свое существование, а тайной выплавки железа из руды 
овладели другие народы.

Большим мастерством в получении и обработке железа слави-

лись древнеиндийские мастера. Убедительным доказательством этого 
может служить знаменитая колонна в Дели, воздвигнутая в 415 г. 
в честь царя Чандрагунты II, а изготовленная, судя по имеющейся на 
ней надписи, за несколько веков до н. э. Весит колонна около 6,5 тонн, 
высота 7,2 метра, диаметр 42 сантиметра у основания и 30 сантиметров 
вверху. Изготовлена она из чистого железа без единого следа ржав-
чины. Колонна изготовлена, по-видимому, из отдельных крупных криц, 
плотно сваренных в кузнечном горне.

Однако тигельный способ практически не годился для массового 

производства металла из руды, так как представлял собой переплав 
в небольших огнеупорных сосудах – тигелях – уже добытого ранее ме-
талла в целях его очистки от нежелательных примесей и выравнивания 
состава. При этом улучшалась структура металла. Потребность в стали 
росла – росли размеры сыродутных горнов, совершенствовалась их 
форма, повышалась мощность воздушного дутья. В середине века горн 
уже обрел вид печи, получившей в дальнейшем название домна.

Металлическими свойствами обладают более 80 элементов Таб-

лицы Менделеева. Все металлы и металлические сплавы в твердом со-
стоянии имеют строгое кристаллическое строение. Как черные, так 
и цветные металлы могут быть получены химически чистыми, т. е. с со-
держанием основного химического элемента около 100 %. Но чистые 
металлы, как правило, не обеспечивают необходимых свойств для из-
готовления из них оборудования, механизмов, инструментов и даже ху-
дожественных и ювелирных изделий, поэтому для различных отраслей 
народного хозяйства производятся сплавы с заданными свойствами для 
конкретного применения. 

Чистые металлы пластичны, имеют низкую твердость и проч-

ность, прекрасно обрабатываются давлением, резанием и другими ви-
дами механической обработки. Однако по этой причине изделия из чи-
стых металлов недолговечны. Они теряют форму, ухудшается качество 
их поверхности, они могут даже ломаться. Поэтому в качестве матери-
ала для изготовления художественных изделий применяются исключи-
тельно сплавы на основе чистых металлов.

1 . К А Ч Е С Т В О  М А Т Е Р И А Л О В  И  Е Г О  О Ц Е Н К А

Одной из важнейших задач современной науки и техники явля-

ется получение различных материалов с заданными механическими 
свойствами и структурой, обладающих высокой прочностью и стойко-
стью. Эта задача связана с детальным изучением механических (дефор-
мационных) показателей тел различной природы. Однако она не входит 
ни в область механики, ни даже в область молекулярной физики твер-
дого тела, особенно физической химии (в частности, коллоидной хи-
мии), и не может быть решена старыми технологическими (в основном 
эмпирическими) приемами. Развитие современного материаловедения 
связано с изучением структуры и свойств исходного продукта, путей 
его технологической переработки и формированием материала с задан-
ными эксплуатационными свойствами. Образно говоря, получение 
твердого тела сопряжено с рядом этапов переработки исходных ве-
ществ в изделия заданного качества.

Качеством материала называется совокупность его свойств, удо-

влетворяющих определенные потребности в соответствии с назначе-
нием. Уровень качества определяется соответствующими показате-
лями, представляющими собой количественную характеристику од-
ного или нескольких свойств материалов, которые определяют их каче-
ство применительно к конкретным условиям изготовления и использо-
вания. По количеству характеризуемых свойств показатели качества 
подразделяются на единичные и комплексные. Единичный показатель 
качества характеризуется только одним свойством (например, твер-
дость стали). Комплексный показатель характеризуется несколькими 
свойствами продукции. При этом продукция считается качественной 
только в том случае, если весь комплекс оцениваемых свойств удовле-
творяет установленным требованиям качества. Примером комплекс-
ного показателя качества стали могут служить оценка химического со-
става, механических свойств, микро- и макроструктуры. Комплексные 
показатели качества устанавливаются государственными стандартами.

Методы контроля качества могут быть самыми разнообразными: 

визуальный осмотр, органолептический анализ и инструментальный 
контроль. По стадии определения качества различают контроль предварительный, 
промежуточный и окончательный.

При предварительном контроле оценивается качество исходного 

сырья, 
при 
промежуточном 
–
соблюдение 
установленного 

технологического процесса. Окончательный контроль определяет качество 
готовой продукции, ее годность и соответствие стандартам. Годной 
считается продукция, полностью отвечающая требованиям стандартов 
и технических условий. Продукция, имеющая дефекты и отклонения 
от стандартов, считается браком.

Качество материала определяется главным образом его свойствами, 
химическим составом и структурой. Причем свойства материала 
зависят от структуры, которая, в свою очередь, зависит от химического 
состава. Поэтому при оценке качества могут определяться свойства, 
состав и структура материала. Свойства материалов и методы 
определения некоторых из них изложены в следующих разделах. Химический 
состав может определяться химическим или спектральным 
анализом.

Система управления качеством на предприятии. Понятие и показатели 
качества на современных предприятиях, как правило, приобретают 
форму системы. То есть требования к тем или иным характеристикам 
товаров носят устойчивый характер, они воспроизводятся с течением 
времени. Как правило, фиксируются в стандартах и нормах. Системный 
характер контроля качества на предприятиях обеспечивает постоянство 
выпуска товаров, соответствующих требуемым потребительским 
свойствам. Наличие единых норм и стандартов позволяет повысить 
экономическую эффективность производства. Стандартизация при 
этом может осуществляться также и на уровне правового регулирования. 
Соответствующие критерии, таким образом, становятся обязательными 
не только для конкретного предприятия, но также и для отдельно 
взятой отрасли или экономики государства в целом. 

Понятие управления качеством продукции предполагает многоступенчатый 
контроль выпуска товаров на предмет соответствия стандартам 
и нормам, что утверждены государством, отраслевыми или локальными 
источниками права. Исследование соответствующих характеристик 
товара может осуществляться как на этапе его разработки 
(об этом мы сказали выше), так и в процессе его производства или же 
на приемке. Субъектами контроля качества изделия могут быть как 
внутрикорпоративные структуры, так и государственные органы. 

Существуют различные методы изучения структуры материалов. 

С помощью макроанализа изучают структуру, видимую невооруженным 
глазом или при небольшом увеличении (с помощью лупы). Макроанализ 
позволяет выявить различные особенности строения и дефекты (
трещины, пористость, раковины и др.). Микроанализом 

называется изучение структуры с помощью оптического микроскопа 
при увеличении до 3000 раз. Электронный микроскоп позволяет изучать 
структуру при увеличении до 25000 раз. 

Рентгеновский анализ применяют для выявления внутренних дефектов. 
Он основан на том, что рентгеновские лучи, проходящие через 
материал и через дефекты, ослабляются в разной степени. Глубина проникновения 
рентгеновских лучей в сталь составляет 80 мм. Эту же физическую 
основу имеет просвечивание гамма-лучами, но они способны 
проникать на большую глубину (для стали – до 300 мм). Просвечивание 
радиолучами сантиметрового и миллиметрового диапазона позволяет 
обнаружить дефекты в поверхностном слое неметаллических материалов, 
так как проникающая способность радиоволн в металлических материалах 
невелика. 

Магнитная дефектоскопия позволяет выявить дефекты в поверхностном 
слое (до 2 мм) металлических материалов, обладающих магнитными 
свойствами и основана на искажении магнитного поля в местах 
дефектов.

Ультразвуковая дефектоскопия позволяет осуществлять эффективный 
контроль качества на большой глубине. Она основана на том, 
что при наличии дефекта интенсивность проходящего через материал 
ультразвука меняется.

Капиллярная дефектоскопия служит для выявления невидимых 

глазом тонких трещин. Она использует эффект заполнения этих трещин 
легко смачивающими материал жидкостями.

Вопросы для самопроверки

1. Из каких показателей складывается качество материала?
2. Какие методы контроля позволяют оценить качество материала?
3. Что понимается под системой управления качеством на предприятии?


4. Разрушающие и неразрушающие методы изучения структуры 

материала.

5. Чем отличаются макро- и микроанализ? В каких случаях применяется 
тот или иной метод?

2 .  С Т Р О Е Н И Е  М Е Т А Л Л О В

2 . 1 .  А т о м н о - к р и с т а л л и ч е с к о е  с т р о е н и е  м е т а л л о в

Металлические и большинство неметаллических твердых материалов 
имеют кристаллическое строение. Характерным признаком кристаллического 
строения материалов является способность изделий, изготовленных 
из них, сохранять свою форму и оставаться твердыми при 
нагревании вплоть до критической температуры, при которой они переходят 
в жидкое состояние. Переход кристаллических тел из твердого
в жидкое состояние и наоборот совершается изотермически, т. е. при 
определенной температуре, называемой температурой плавления.

Элементарные частицы, из которых состоят кристаллические 

тела (атомы, ионы, молекулы), расположены в пространстве упорядо-
ченно и образуют кристаллические решетки. В кристаллической решетке 
можно выделить элементарный объем, многократно повторяющийся 
из минимального числа элементарных частиц, – элементарную 
ячейку. 

Совокупность таких ячеек характеризует особенности строения 

кристаллического тела данного типа. Элементарные частицы в кристаллической 
решетке находятся во взаимодействии, характер которого зависит 
от их электронного строения. От характера этого взаимодействия 
зависят электрические, магнитные, тепловые и оптические свойства материала, 
его температура плавления и испарения, модуль упругости 
и другие свойства.

2 . 2 .  Т и п ы  м е т а л л и ч е с к о й  с в я з и .  Т и п ы  

к р и с т а л л и ч е с к и х  р е ш е т о к

Все вещества в твердом состоянии могут иметь кристаллическое 

или аморфное строение. В аморфном веществе атомы расположены хаотично, 
а в кристаллическом – в строго определенном порядке.