Основы материаловедения. Конструкционные материалы и технологии

В. П. Иванников 
ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ. 
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
И ТЕХНОЛОГИИ 
Учебное пособие 
Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022

УДК 620.22 
ББК 30.36 
И18 
 
 
 
Рецензент: 
доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО «Ижевский государственный  
технический университет имени М. Т. Калашникова» Ломаев Г. В. 
 
 
 
 
Иванников, В. П. 
И18   
Основы материаловедения. Конструкционные материалы и технологии : учебное пособие / В. П. Иванников. - Москва ; Вологда : Инфра- 
Инженерия, 2022. - 300 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1010-6 
 
Рассматриваются основы кристаллического строения материалов, основные закономерности процесса кристаллизации, агрегатные состояния, свойства 
железоуглеродистых сплавов, технологии термической обработки металлов и 
сплавов. Раскрыты вопросы классификации железоуглеродистых сплавов для 
электро- и теплоэнергетики, титановых, медных и алюминиевых сплавов, конструкционных материалов на основе полимеров, пластмассы и композитов. Рассмотрены технологии металлургического и литейного производства, оборудование для горячей и холодной обработки металлов давлением и резанием, получения сварных соединений, технологии изготовления изделий методами порошковой металлургии, производства полимерных материалов и изделий. 
Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», 21.03.01 «Нефтегазовое дело» и 20.03.01 «Техносферная безопасность», 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов».  
 
УДК 620.22 
ББК 30.36 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1010-6 
” Иванников В. П., 2022 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ  
................................................................................................................ 6 
ГЛАВА I. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ  
И СПЛАВОВ  
............................................................................................................... 8 
I.1. Металлы. Кристаллическая структура  ......................................................... 8 
I.1.1. Свойства металлов как следствие особенностей междуатомной 
связи  ....................................................................................................................... 8 
I.1.2. Классификация кристаллов по видам химической связи между  
атомами  .............................................................................................................. 10 
I.2. Реальная структура металлов и дефекты  
кристаллических решеток  .................................................................................... 15 
I.2.1. Точечные дефекты кристаллического строения металлов  ................ 15 
I.2.2. Линейные дефекты кристаллической решетки  
.................................... 17 
I.2.3. Анизотропия кристаллов  ......................................................................... 22 
I.2.4. Полиморфизм металлов  
........................................................................... 24 
ГЛАВА II. СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И ТЕРМИЧЕСКАЯ  
ОБРАБОТКА ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ  .................................... 29 
II.1. Агрегатные состояния и основные закономерности 
процесса кристаллизации металлов  .................................................................... 29 
II.1.1. Основные закономерности процесса кристаллизации металлов  ...... 31 
II.2. Металлические сплавы  
................................................................................... 33 
II.3. Железо и его сплавы  ....................................................................................... 36 
II.3.1. Диаграммы состояния  ............................................................................ 36 
II.3.2. Диаграмма состояния системы железо-углерод  ................................ 37 
II.3.3. Углеродистые стали  
............................................................................... 46 
II.4. Влияние нагрева и скорости охлаждения углеродистой стали на ее 
структуру  ............................................................................................................... 49 
II.4.1. Отжиг и нормализация углеродистых сталей  .................................... 51 
II.4.2. Закалка и отпуск  ..................................................................................... 54 
II.4.3. Отпуск закаленных углеродистых сплавов  .......................................... 55 
II.5. Чугуны 
............................................................................................................... 56 
II.5.1. Классификация и свойства чугунов  
....................................................... 56 
II.5.2. Изменения структуры чугунов при охлаждении  ................................. 66 
ГЛАВА III. ФИЗИЧЕСКИЕ, МЕХАНИЧЕСКИЕ,  
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ  
СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ  .............................................................. 67 
III.1. Физические и химические свойства  
............................................................. 68 
III.2. Механические свойства металлов и сплавов  ............................................. 76 
III.3. Технологические и эксплуатационные свойства  
металлов и сплавов  
................................................................................................. 94 
III.4. Особенности определения некоторых механических свойств  
металлов и сплавов  
................................................................................................. 99 
III.5. Упругая и пластическая деформации, наклеп  
и рекристаллизация  
.............................................................................................. 102 
3 
 

ГЛАВА IV. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ  
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ, МЕХАНИЧЕСКИХ  
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ  
И СПЛАВОВ  
........................................................................................................... 106 
IV.1. Металлография сплавов на основе железа ............................................... 111 
IV.1.1. Металлографические методы выявления  
структуры металлов и сплавов  
...................................................................... 111 
IV.1.1.1. Методика и особенности подготовки микрошлифов  
для проведения микроструктурного анализа металлов и сплавов  ......... 112 
IV.1.2. Микроструктуры сталей при различных  
термических обработках  ................................................................................ 126 
IV.1.3. Микроструктуры чугунов  ................................................................... 130 
IV.1.4. Микроструктура алюминия и его сплавов  ........................................ 133 
IV.1.5. Микроструктура меди и ее сплавов  
................................................... 136 
IV.2. Современные методы, средства и технологии  
исследования металлов и сплавов  
....................................................................... 140 
IV.2.1. Рентгеноструктурный анализ и рентгеновская дефектоскопия  .. 140 
IV.2.2. Электронная микроскопия  .................................................................. 145 
IV.2.2.1. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ)  
................. 146 
IV.2.2.2. Растровая электронная микроскопия  ........................................ 155 
IV.2.3. Дефектоскопия. Методы неразрушающего  
контроля металлов и сплавов  ......................................................................... 159 
ГЛАВА V. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ  ........................................ 162 
V.1. Конструкционные стали и сплавы  
.............................................................. 162 
V.1.1. Классификация сталей  
.......................................................................... 162 
V.1.2. Свойства сталей, обеспечивающие устойчивость  
к воздействию температуры и рабочей среды  ............................................ 167 
V.2. Железоуглеродистые сплавы для электро- и теплоэнергетики  
.............. 184 
V.2.1. Материалы котельных установок и паровых турбин  ...................... 184 
V.2.1.1. Жаропрочные материалы котельных установок  
и паровых турбин .......................................................................................... 184 
V.2.1.2. Углеродистые стали ....................................................................... 185 
V.3. Титановые, медные и алюминиевые сплавы  .............................................. 190 
V.3.1. Титан и его сплавы  ................................................................................ 190 
V.3.2. Медь и её сплавы  .................................................................................... 195 
V.3.3. Алюминий и его сплавы .......................................................................... 199 
V.4. Неметаллические материалы  ..................................................................... 204 
V.4.1. Полимеры и пластмассы  ...................................................................... 204 
V.4.2. Резиновые и клеящие материалы  
......................................................... 208 
V.4.3. Стекло, ситаллы, графит  .................................................................... 209 
V.4.4. Композиционные материалы  ............................................................... 211 
 
 
4 
 

ГЛАВА VI. ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА 
И ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ 
МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ  ............................................................................. 215 
VI.1. Основные способы литья металлов  .......................................................... 217 
VI.2. Применение литья в машиностроении  ..................................................... 219 
VI.3. Горячая и холодная обработка металлов давлением  
.............................. 227 
VI.4. Волочение и прессование  
............................................................................. 233 
VI.5. Способы обработки резанием, инструменты и станки  ........................ 236 
VI.5.1. Применяемое оборудование и инструменты для резания  ............... 237 
VI.5.2. Оборудование для горячей и холодной обработки
металлов давлением  
......................................................................................... 244 
VI.6. Характеристика способов сварки и схематизация
сварочных процессов  ............................................................................................ 250 
VI.7. Технология изготовления деталей методом
порошковой металлургии  .................................................................................... 257 
VI.7.1. Получение порошка исходного материала  ........................................ 258 
VI.7.2. Формование металлических порошков  .............................................. 262 
VI.7.3. Спекание и доводка заготовок  
............................................................ 269 
VI.8. Технологии производства изделий из полимерных материалов  ............. 275 
VI.8.1. Способы формообразования деталей из полимеров
в вязкотекучем состоянии ............................................................................... 275 
VI.8.2. Материалы и методы создания изделий из полимеров  
.................... 285 
ЛИТЕРАТУРА  
........................................................................................................ 289 
5 

ВВЕДЕНИЕ 
Материаловедение и технология конструкционных материалов относятся к 
числу базовых учебных дисциплин для большинства направлений подготовки 
специалистов инженерно-технических специальностей. Это научное направление, изучающее связь между составом, строением и свойствами материалов, а 
также их изменения при различных внешних воздействиях (тепловом, механическом, химическом и т.д.). Основная практическая задача - изыскание оптимального состава, способа получения и обработки материалов для придания им заданных свойств.  
Условно это направление разделяется на теоретическое материаловедение, 
рассматривающее общие закономерности строения и процессов, происходящих 
в материалах при различных воздействиях и прикладное (техническое), изучающее основы технологических процессов обработки (термическая обработка, литье, обработка давлением) и конкретные классы материалов.  
В электроэнергетике используются весьма различные материалы, однако основными конструкционными материалами являются металлы. Поэтому содержание курса начинается с изучения основ металловедения.  
Проблемы материаловедения в отношении металлов, главным образом связаны с необходимостью изучения особенностей строения кристаллической структуры и свойств металлов и сплавов в их взаимосвязи, таких как: механические 
(прочность, вязкость и твёрдость); химические (сопротивление действию агрессивной среды); физические (магнитные, электрические, объёмные и тепловые); 
технологические (жидкотекучесть, штампуемость, обрабатываемость режущим 
инструментом, прокаливаемость и т.д.). И все эти проблемы объединены понятием «металловедение» [1]. 
Российские ученые сыграли ведущую роль в развитии металловедения. Одним 
из них является П. П. Аносов, который в 1831 году впервые применил микроскоп 
в разработке методики исследования стали. В 1868 г. Д. К. Чернов открытием критических точек в стали установил подлинно научную причину изменения ее 
свойств при термической обработке, за что получил международное признание. 
Существенный вклад в развитие науки о металлах внесли Н. С. Курнаков, 
А. А. Байков, А. М. Бочвар, Н. А. Минкевич, С. С. Штейнберг, А. П. Гуляев и другие российские ученые, а из зарубежных - А. Ледебур, Р. Аустен, Ф. Осмонд, 
Л. Троост, А. Мартенс и др. 
Особенно интенсивно развивается металловедение в последние десятилетия. 
Это объясняется потребностью в новых материалах для исследования космоса, 
развития электроники, электроэнергетики, в том числе ядерной. Для этого понадобилось включение в число промышленных материалов почти всех элементов 
периодической системы. 
Неметаллическое материаловедение наибольшее развитие получило при создании синтетических материалов, в которых возможно проектировать и комбинировать свойства исходных веществ с целью получения заданных свойств конечного продукта и готовых изделий. 
6 
 

Основы структурной теории химического строения органических соединений 
заложил великий русский химик А. М. Бутлеров (1826-1886 гг.). 
На основе исследований Г. С. Петрова (1907-1914 гг.) стало возможным промышленное производство первых синтетических фенопластов. Цепная полимеризация стала возможной в результате разработки Н. Н. Семеновым (19301940 гг.) теории цепных реакций. 
Содержание учебного пособия условно сгруппировано в 6-ти главах. В первой и второй главах учебного пособия рассматриваются основы кристаллического строения материалов, основные закономерности процесса кристаллизации, 
агрегатные состояния, свойства железоуглеродистых сплавов, технологии термической обработки металлов и сплавов. Важные физические понятия напряжений и деформаций рассмотрены не только с позиций физики твердого тела, но и 
на основе феноменологического подхода, с позиций механики сплошной среды. 
Даны определения основных механических характеристик материалов, описаны 
основные методы механических испытаний, рассмотрены закономерности упрочнения и разупрочнения материалов при их деформации и нагреве. 
Описаны методика и правила построения диаграмм фазового равновесия 
(диаграмм состояния), рассмотрены основные типы диаграмм состояния сплавов, обладающих различной способностью к образованию твердых растворов, 
химических соединений или превращений в твердом состоянии. 
В третьей и четвёртой главах достаточно подробно рассмотрены технологические, физические, механические свойства металлов и сплавов, технологии и 
методы исследования их характеристик, рассмотрено влияние легирования на 
свойства сталей, методы упрочнения сплавов. Особое внимание уделено коррозионно-стойким, жаростойким и жаропрочным сплавам, а также инструментальным сталям и другим инструментальным материалам для обработки металлов 
давлением и резанием. 
Пятая глава посвящена вопросам классификации железоуглеродистых сплавов для электро- и теплоэнергетики, титановых, медных и алюминиевых сплавов, конструкционных материалов на основе полимеров, пластмассы и композитов. В шестой главе рассмотрены технологии металлургического и литейного 
производства, оборудование для горячей и холодной обработки металлов давлением и резанием, получения сварных соединений, технологии изготовления изделий методами порошковой металлургии, производства полимерных материалов и изделий. 
Учебное пособие написано в связи с необходимостью дальнейшего развития 
методического обеспечения и повышения качества обучения студентов кафедры 
«Теплоэнергетика» УдГУ в соответствии с ФГОС ВО, рабочими программами 
по дисциплине «Материаловедение и технология конструкционных материалов» 
по направлениям подготовки 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», 
21.03.01 «Нефтегазовое дело» и 20.04.01 «Техносферная безопасность».  
7 

ГЛАВА I 
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 
I.1. Металлы. Кристаллическая структура 
I.1.1. Свойства металлов как следствие особенностей междуатомной связи 
Кристаллом называется твердое тело, состоящее из атомов (ионов или молекул), расположенных с периодической повторяемостью в трех измерениях.  
Идеальный кристалл можно построить путем бесконечного закономерного 
повторения в пространстве одинаковых структурных единиц (элементарных 
ячеек). Структурная единица кристалла - элементарная ячейка, может содержать 
несколько атомов или молекул. 
Любую кристаллическую структуру можно описать с помощью периодически повторяющейся в пространстве элементарной части кристаллической решетки, называемой элементарной ячейкой (имеющей форму параллелепипеда - 
рис. I.1), с каждой точкой которой связана некоторая группа атомов [2]. 
 
Рис. I.1. Условный образ простейшей структурной  
единицы кристаллической решётки 
Эта группа атомов называется базисом; базис повторяется в пространстве и 
образует кристаллическую решетку. Впервые понятие кристаллической решетки ввел Огюст Браве - 1848 г.  
Введём три независимых базисных вектора a1, b1, c1 исходящих из одной 
точки и построим результирующий вектор 
 
1
1
1
1
2
3
 


r
n a
n b
n c . 
(I.1) 
Если n1, n2, n3, начиная с единицы, принимают последовательно все целочисленные значения, то формируется пространственная решетка, обладающая периодичностью по всем трем направлениям.  
8 
 

В кристаллографии за единицу измерения обычно принимают размер векторов a1, b1, c1 и в этом случае эти вектора называются осевыми единицами. 
Параллелепипед, образованный базисными векторами, называют элементарной ячейкой. Длину ребра элементарной ячейки вдоль одной из осей называют 
постоянной решетки. Поскольку Į, ȕ, Ȗ - углы между базисными векторами могут принимать различные значения, то элементарная ячейка может иметь форму 
косоугольного параллелепипеда, призмы или куба. Постоянные решетки в разных направлениях также могут быть различными. Решетки данного вида принято 
называть простыми.  
Ячейки, в которых атомы располагаются не только в вершинах, называются 
сложными. Более сложные пространственные решетки могут быть получены из 
простых решеток, взаимно сдвинутых на определенную величину. Простую решетку имеют обычно одноатомные кристаллы. Двух-, трёх-, четырехатомные 
кристаллы имеют более сложную решетку, состоящую соответственно из двух, 
трех или четырех вдвинутых друг в друга простых решеток.  
Во всех вершинах элементарной ячейки располагаются одинаковые атомы 
или группы атомов, поэтому все вершины ячеек эквивалентны друг другу и их 
называют узлами решетки. Элементарные ячейки, атомы в которых располагаются только в вершинах, называются простыми или примитивными, на каждую 
такую ячейку в среднем приходится один узел.  
Важнейшим параметром кристаллической решетки является координационное число, указывающее число ближайших частиц, окружающих данную частицу 
кристалла.  
Например, для кристалла NaCl координационное число равно 6. Каждый атом 
Na окружен шестью ионами Cl, а каждый ион Cl - шестью ионами натрия.  
Существуют пять типов двухмерных решеток, а трехмерных пространственных решеток будет уже четырнадцать. Пространственные решетки 
Браве показаны на рис. I.2. 
По взаимному расположению и соотношению базисных векторов кристаллические решетки объединяются в системы (сингонии: син. - на латыни «одинаковый», гон. - на латыни «угол»). Сингоний семь: триклинная, моноклинная, ромбическая, тетрагональная, ромбоэдрическая, гексагональная, кубическая. То есть, в 
природе существует 7 видов кристаллических решеток, обладающих сходными 
элементарными ячейками.  
Самих же видов кристаллических решеток всего четыре: простая, базоцентрированная, объемоцентрированная и гранецентрированная. Каждая из этих кристаллических решеток может быть представлена совокупностью двух или большего числа простых подрешеток, смещенных относительно друг друга. Отсюда, 
как это и показано выше, образуется в общей сложности 14 видов различных решеток, называемых решетками Браве.  
Среди них, например: объёмоцентрированные (ОЦК) - характерны для железа 
и вольфрама; гранецентрированные (ГЦК) - характерны для меди, алюминия, 
свинца, никеля и т.д. [2]. 
9 
 

 
Рис. I.2. Четырнадцать пространственных решеток Браве.  

 Показаны обычно используемые ячейки, которые не всегда являются примитивными.  
Р – символ примитивной ячейки, I – объемноцентрированной, F – гранецентрированной,  
С – с центрированными основаниями, R – ромбоэдрической 
I.1.2. Классификация кристаллов по видам химической связи  
между атомами 
Классификацию кристаллов можно провести не только по геометрическим 
признакам, но и по физической природе сил, удерживающих атомы в узлах кристаллической решетки, т.е. по видам химической связи между атомами [3,4]. 
10