Материаловедение

А.А. ЧЕРЕПАХИН
А.А. СМОЛЬКИН

УЧЕБНИК

Москва
КУРС
ИНФРА-М
2023

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 

Рекомендован в качестве учебника 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлениям подготовки: 2.13.03.03 «Энергетическое машиностроение», 
2.15.03.01 «Машиностроение», 2.15.03.02 «Технологические машины 
и оборудование», 2.15.03.03 «Прикладная механика», 
2.15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение 
машиностроительных производств», 
2.23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин 
и комплексов», 2.23.03.01 «Технология транспортных процессов», 
2.27.03.03 «Системный анализ и управление», 2.15.03.04 «Автоматизация 
технологических процессов и производств», 2.27.03.01 «Стандартизация 
и метрология» (квалификация «Бакалавр»), 2.23.05.01 «Наземные транспортнотехнологические средства» (квалификация «Специалист»)

УДК 620.22(075.8)
ББК К2я73+К43я73
 
Ч46

Черепахин А.А.,
Материаловедение: учебник / А.А. Черепахин, А.А. Смолькин. — Москва: КУРС: ИНФРА-М, 2023. — 288 с. — (Бакалавриат).

ISBN 978-5-906818-56-0 (КУРС)
ISBN 978-5-16-012023-2 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104678-4 (ИНФРА-М, online)
В учебнике подробно рассмотрены виды и свойства конструкционных материалов; теоретические и практические вопросы воздействия на их структуру и свойства различных факторов (температурных, силовых, физико-химических).
Учебник написан в соответствии с требованием государственного образовательного стандарта (ФГОС3+) преподавания общепрофессиональной дисциплины «Материаловедение».
Для студентов машиностроительных ВУЗов конструкторских и технологических направлений.

УДК 620.22(075.8)
ББК К2я73+К43я73

Р е ц е н з е н т ы:
В.И. Ластовиря — д-р техн. наук, профессор ФГБОУ ВО «МАМИ»;
В.В. Столяров — д-р техн. наук, профессор ФГБУН «Институт машиностроения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ 
РАН)»

Ч46

©  Черепахин А.А., Смолькин А.А., 
2016
© КУРС, 2016

ISBN 978-5-906818-56-0 (КУРС)
ISBN 978-5-16-012023-2 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104678-4 (ИНФРА-М, online)

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

ВВедение

Материаловедение —  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 
обработками.

Все конструкционные материалы можно разделить на три круп
ные группы: металлические материалы (черные и цветные металлы 
и сплавы); неметаллические материалы (резина, полимеры, стекло, 
дерево и т. д.); композиционные материалы, которые получают объединением в единое целое не менее двух разнородных материалов, 
часто не взаимодействующих друг с другом (могут быть на основе 
систем металл —  металл, металл —  неметалл, неметалл —  неметалл).

Глава 1

КристалличесКое строение 
металличесКих материалоВ

Всякое вещество может находиться в твердом, жидком и в газо
образном агрегатном состоянии. Твердые вещества могут быть кристаллическими и аморфными. Кристаллическое тело отличается 
от аморфного упорядоченным расположением атомов и ионов в материале.

Кристаллические тела затвердевают или плавятся при опреде
ленных температурах или в интервале температур, при этом на экспериментальных кривых охлаждения появляются так называемые 
критические температуры (рис. 1.1, а, б).

Ж
Ж

Тв
Тв

Ж + Тв
Ж + Тв

Температура

Температура

Время
Время

Ж

Тв

Температура

Время

Тн.к

Тн.к

Тк.к

Тк.к

а)
б)

в)

Рис. 1.1. Кривые охлаждения:

а —  чистых металлов и химических соединений; б —  некоторых сплавов; в — аморфных 
материалов; Тн, Тк —  температуры начала и конца перехода в твердое состояние (крити
ческие температуры); Тв —  твердое состояние; Ж —  жидкое

У аморфных тел при нагреве или охлаждении переходы (твердое 

состояние ↔ вязкое состояние ↔ жидкое состояние) плавные, 
на кривых охлаждения отсутствуют критические температуры 
(рис. 1.1, в).

В настоящее время известно 76 металлов. Для них и их сплавов 

характерно кристаллическое состояние. Металлы и сплавы обладают 
рядом характерных свойств: высокими значениями тепло- и электропроводности, положительным температурным коэффициентом 
электросопротивления, при этом многие металлы обладают сверхпроводимостью при температурах, близких к абсолютному нулю, 
хорошей отражательной способностью, высокой пластичностью 
и термоэлектронной эмиссией.

1.1. Общая хаРактеРистика металлОв

Атомы металлов характеризуются небольшим 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 электронов. Устойчивость металла, представляющего собой ионно-электронную систему, определяется силами 
притяжения и отталкивания между ионами и обобщенными электронами, образуя металлическую связь. Поэтому в металле атомы 
располагаются на расстояниях друг от друга, соответствующих минимальной суммарной силе взаимодействия, образуя правильную 
кристаллическую решетку с минимальной энергией 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 описывается 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.

Исследование макроструктуры дает общую картину кристалли
ческого 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 образцах (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 дифракци
онных 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. 1.2).

Жирными линиями выделен наименьший параллелепипед (крис
талл), последовательным перемещением которого в пространстве 
вдоль трех осей может быть построена вся решетка или кристалл.

Силы притяжения и отталкивания обеспечивают связь между со
седними (ближний порядок) или удаленными (дальний порядок) 
атомами.

Наименьший параллелепипед (кристалл), дающий представление 

об атомной структуре и свойствах металла во всем объеме, называется элементарной ячейкой. Для описания элементарной ячейки 
кристаллической решетки используют три отрезка —  ребра (а, в, с), 
равные расстояниям до ближайших соседей по осям координат, и три 
угла (a, b, γ) между этими отрезками. Соотношения между этими 

величинами определяются симметрией, согласно которой все кристаллы подразделяют на семь систем —  сингоний. Соотношения 
между отрезками и углами приведены в табл. 1.1.

Большинство металлов имеют кристаллическую решетку одного 

из трех типов: объемно-центрированный куб (ОЦК) —  атомы расположены в вершинах куба, а один атом —  в центре его объема 
(рис. 1.3, а) —  металлы: К, Na, Li, Ti, Zrb, W, Ta, Fea, Cr и др.; гранецентрированный куб (ГЦК) —  атомы расположены в вершинах куба 
и в центре каждой грани (рис. 1.3, б) —  металлы: Feγ, Sr, Tn, Pb, Ni, 
Ag, Au, Pd, Pt, Cu, Coa и др.; гексагональный плотноупакованный 
(ГПУ) —  атомы расположены в вершинах и центре шестигранных 
оснований призмы, а три атома —  в средней плоскости призмы 
(рис. 1.3, в) —  металлы: Mg, Tia, Cd, Os, Zn, Cob и др.

Кристаллические решетки характеризуются следующими основ
ными параметрами: периодом решетки, атомным радиусом, энергией 
решетки, координационным числом, базисом и коэффициентом 
компактности решетки.

период решетки —  расстояние между центрами двух соседних 

частиц (атомов, ионов) в элементарной ячейке. Периоды решетки 
измеряются в ангстремах (1A = 10-10 м).

Атомный радиус —  половина межатомного расстояния между 

центрами ближайших атомов в кристаллической решетке металла 
(элемента) при нормальной температуре и атмосферном давлении. 

X

Z

Y

c

b

a

Рис. 1.2. Схема кристаллической решетки:

ОX, ОY, ОZ —  координатные оси: a, b, c —  линейные характеристики решетки

Таблица 1.1

кристаллические системы элементов

Система
Ребра и углы
Схема

Триклинная
а ≠ b ≠ с
a ≠ b ≠ γ

β

α

γ

a

b

c

Моноклинная
а ≠ b ≠ с

a = b = 90°

γ ≠ 90°

γ

a

b

c

Ромбическая
а ≠ b ≠ с

a = b = 90°

γ ≠ 90°

a

b

c

Ромбоэдрическая
a = b = с

a = b = γ = 90°

γ

Атомный радиус изменяется в зависимости от разных факторов, например при изменении координационного числа или типа химической связи.

координационное число К —  это число атомов, находящихся 

на равном и наименьшем расстоянии от данного атома.

базис решетки —  количество атомов, приходящихся на одну эле
ментарную ячейку решетки.

Система
Ребра и углы
Схема

Гексагональная
a = b ≠ с

a = b = 90°

γ = 120°

b

a

c

Тетрагональная
a = b ≠ с

a = b = γ = 90°

a

b

c

Кубическая
a = b = с

a = b = γ = 90°

a

b

c

Окончание табл. 1.1

коэффициент компактности n элементарной ячейки (совпадает 

с коэффициентом компактности для всей решетки) —  отноше- 
ние объема, занимаемого атомами Vа, к объему элементарной 
ячейки Vэ.я.

Для определения координационного числа и базиса решетки не
обходимо элементарную ячейку рассматривать в совокупности с другими ячейками, окружающими ее со всех сторон.

В табл. 1.2 приведены значения координационного числа и базиса 

основных типов кристаллических решеток металлов.

В элементарной ячейке ОЦК-решетки наименьшее расстояние 

между атомами соответствует d
a
=
⋅
0 5
3
,
. На этом расстоянии 

от данного атома находится 8 соседей, т. е. координационное число 
для ОЦК-решетки соответствует 8 и обозначается К8. Коэффициент 
компактности для решетки К8 — 68%.

Для ГЦК решетки координационное число равно 12 (К12); каж
дый атом имеет 12 ближайших соседей на расстоянии d
a
=
⋅
0 5
2
,
. 

Для многих металлов, кристаллизующихся в гексагональной сис
а)

б)

в)

a

a

c

Рис. 1.3. Кристаллические решетки металлов:

а —  объемно-центрированный куб; б —  гранецентрированный куб; в — гексагональная 

плотно упакованная решетка