Структура материалов и методы ее исследования. Кристаллизация материалов. Двойные сплавы

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

О. В. Селиванова, О. А. Оленева, С. В. Беликов

Структура материалов  
и методы ее исследования.
Кристаллизация материалов.
Двойные сплавы

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся 
по направлениям: 22.03.02 «Металлургия» 
и 22.03.01 «Материаловедение 
и технологии материалов»

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2017

УДК 669.017.12(075.8)
ББК 34.232я73
          С29
Рецензенты:
заместитель директора по научной работе проф., д‑р техн. наук В. П. Швейкин (Институт машиноведения УрО РАН);
доц., канд. техн. наук Е. П. Воробьева (проф. кафедры пожарной безопасности в строительстве ФГБОУ ВО «Уральский институт ГПС МЧС России»)

Научный редактор — проф., д‑р техн. наук А. А. Попов

 
Селиванова, О. В.
С29    Структура материалов и методы ее исследования. Кристаллизация материалов. Двойные сплавы / О. В. Селиванова, О. А. Оленева, С. В. Беликов. — 
Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 2017. — 108 с.

ISBN 978‑5‑7996‑2170‑4

Рассмотрены структура материалов и методы ее исследования. Изложены законы кристаллизации чистых веществ, приведены различные типы диаграмм состояния 
двойных систем, описаны физическая природа фаз в сплавах, механизм и кинетика фазовых превращений, ликвация в сплавах и меры борьбы с ней.
Пособие предназначено для бакалавров, обучающихся по направлениям «Металлургия», «Материаловедение и технологии материалов». Также может быть полезно специалистам в области материаловедения, физики металлов, технологии получения и обработки металлических материалов.

Библиогр.: 4 назв. Рис. 57.

УДК 669.017.12(075.8)
ББК 34.232я73

Учебное издание

Селиванова Ольга Владимировна, Оленева Ольга Аркадьевна, Беликов Сергей Владимирович

Структура материалов и методы ее исследования. Кристаллизация материалов. Двойные сплавы

Подписано в печать 29.09.2017. Формат 60×84/16. Бумага офсетная. Цифровая печать. Усл. печ. л. 6,3.
Уч.‑изд. л. 5,21. Тираж 50 экз. Заказ 178

Издательство Уральского университета 
Редакционно‑издательский отдел ИПЦ УрФУ
620049, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 5. Тел.: +7 (343) 375‑48‑25, 375‑46‑85, 374‑19‑41
E‑mail: rio@urfu.ru

Отпечатано в Издательско‑полиграфическом центре УрФУ
620083, Екатеринбург, ул. Тургенева, 4. Тел.: +7 (343) 358‑93‑06, 350‑58‑20, 350‑90‑13. 
Факс: +7 (343) 358‑93‑06. http://print.urfu.ru

ISBN 978‑5‑7996‑2170‑4 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2017

Введение

М

атериаловедение — наука, изучающая общие закономерности формирования структуры и свойств материалов, а также особенности их изменения при 
различных воздействиях (механических, тепловых и др.). Металлы и их сплавы являются самым обширным и универсальным по применению классом материалов. Центральное место 
среди них занимают две группы сплавов железа — стали и чугуны. Производство стали превышает производство алюминия — второго после железа металла по масштабам производства и применения — в несколько десятков раз.
Как всякая наука, материаловедение представляет собой совокупность знаний, полученных расчетным и экспериментальным путем, которые позволяют сделать обобщения и выводы, 
а также предвидеть пути развития науки о материалах.
Теоретической основой материаловедения являются соответствующие разделы физики и химии, однако наука о материалах развивается в основном экспериментальным путем.
Материаловедение является поистине интернациональной 
наукой — ее теоретические основы были заложены трудами ученых разных стран. Среди них необходимо выделить американца Джозайю Уилларда Гиббса (1839–1903) — основоположника физической химии.
Чернов Д. К. (1839–1921) открыл в 1868 г. критические точки 
в сталях, заложив тем самым научные основы термической обработки. Значительный вклад в развитие металловедения внес

Введение

ла работа Д. К. Чернова (1878), посвященная изучению теории 
кристаллизации стального слитка. В 1884 г. Д. К. Чернов первым обнаружил и описал линии скольжения на поверхности 
деформированной стали, называемые в настоящее время линиями Чернова‑Людерса.
Значительный вклад в развитие материаловедения внесли 
русские ученые П. П. Аносов (1799–1851) и Д. И. Менделеев 
(1834–1907), англичанин У. Робертс‑Остен (1843–1902), немец 
А. Мартенс (1850–1914).
Основоположниками отечественного материаловедения стали 
С. С. Штейнберг, Н. А. Минкевич, Г. В. Курдюмов, А. А. Байков, 
А. М. Бочвар, А. А. Бочвар, К. П. Бунин, С. Т. Кишкин, В. Д. Садовский, И. И. Сидорин, А. П. Гуляев и их последователи.
Условия работы современных машин и приборов выдвигают требования прочности и стойкости материалов в широком интервале температур — от минус 269 °С у сжиженного гелия до 1000 °С и выше при динамических нагрузках, в вакууме 
и в горячих потоках активных газов. Решение важнейших технических задач, связанных с экономным расходом материалов, уменьшением массы машин и приборов во многом зависит 
от развития материаловедения. Непрерывный процесс создания новых материалов для современной техники обогащает науку о материалах.
Несмотря на все более широкое использование неметаллических материалов, металлы и сплавы останутся и в ближайшем будущем основным конструкционным и инструментальным материалом. Поэтому в пособии особое внимание уделено 
металлам.
За последние годы достигнуты большие успехи в разработке 
конструкционных материалов, применяемых в различных областях техники. Современные методы исследования структуры 
и свойств позволяют прогнозировать долговечность и надежность материалов при эксплуатации.

1. Структура материалов  
и методы ее исследования

Из 

всех известных в природе элементов большинство 
относится к металлам. Металлы, как правило, обладают высокими теплои электропроводностью 
и, вступая в химические соединения, отдают валентные электроны, приобретая положительный заряд (становятся ионами). 
Главная отличительная особенность металлов от неметаллов 
заключается в том, что им свойственна электронная проводимость, возрастающая с понижением температуры. У неметаллов с понижением температуры наблюдается уменьшение электропроводности (рис. 1.1).

              а                                                   б

Рис. 1.1. Схема температурной зависимости электросопротивления:

а — металлы; б — неметаллы

Температура

Электросопротивление

1. Структура материалов и методы ее исследования 

Металлы обладают термоэлектронной эмиссией (способностью испускать электроны при нагреве), металлическим блеском, хорошей пластичностью. Эти свойства металлов объясняются наличием у них так называемой металлической связи, 
сущность которой сводится к следующему: известно, что атом 
состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него электронов. Электроны, находящиеся на наружной 
электронной оболочке атомов (валентные), слабо связаны 
с ядром, легко отрываются и свободно перемещаются между 
образовавшимися при отрыве электрона положительно заряженными ионами, образуя электронный газ.
Характерным является то, что эти внешние электроны 
не принадлежат какому‑то определенному атому, а становятся общими, коллективизированными, принадлежащими целому комплексу атомов.
Коллективизированные электроны движутся в самых различных направлениях, и потому в нейтральном кристаллическом металле нет направленного потока и результирующего 
переноса электричества. Но под влиянием даже небольшой разности потенциалов коллективизированные электроны начнут 
перемещаться от отрицательного полюса к положительному, 
т. е. возникнет электрический ток.
Высокая пластичность металлов объясняется тем, что в процессе пластической деформации при смещении одной части 
кристалла относительно другой благодаря наличию электронного газа не происходит нарушения связи между ионами.
Некоторые металлы, например железо, марганец, титан, олово, кобальт и др., обладают полиморфизмом, т. е. в зависимости от температуры существуют в разных модификациях, имеют 
различную кристаллическую решетку. В чистых металлах полиморфные превращения протекают при постоянной температуре, при этом уровень свободной энергии снижается.
Изменение кристаллической решетки при полиморфных 
превращениях сопровождается скачкообразным изменением 

1.1. Атомно-кристаллическое строение металлов

свойств: электросопротивления, теплопроводности, удельного объема, способности растворять другие металлы, механических свойств, а также стойкости против коррозии.
Понятие о структуре — широкое понятие. В зависимости 
от способа исследования удается выявить ту или иную особенность структуры металлов, а именно: атомно‑кристаллическую 
структуру, микроструктуру, субмикроструктуру, макроструктуру, вид излома.

1.1. Атомно-кристаллическое строение металлов

Все металлы — тела кристаллические и, следовательно, им 
присуще закономерное расположение атомов (точнее, ионов) 
в пространстве. Расположение атомов в пространстве характеризуют элементарной ячейкой. Под элементарной ячейкой понимают наименьшее число атомов, расположенных в определенной последовательности, которые при своем многократном 
повторении в пространстве воспроизводят пространственную 
кристаллическую решетку. Кристалл образован множеством 
прилегающих друг к другу элементарных ячеек. Для описания 
кристаллической решетки пользуются пространственной системой координат, при этом оси координат выбираются так, 
чтобы они совпадали с какими‑либо тремя ребрами элементарной ячейки, сходящимися в одной точке и не лежащими в одной плоскости.
Кристаллография делит все кристаллические тела на семь систем или сингоний: кубическую, тетрагональную, ромбическую 
(орторомбическую), ромбоэдрическую (тригональную), гексагональную, моноклинную, триклинную. Рассмотрим лишь те 
кристаллические решетки, которые наиболее характерны для 
металлов.

1. Структура материалов и методы ее исследования 

Кубическая система. Элементарная ячейка описывается тремя взаимно перпендикулярными и равными осями. Металлы 
не образуют таких простых решеток (рис. 1.2). Они образуют 
кристаллические решетки, представляющие собой комбинацию простых кубических решеток.

                а                                                       б

х

y

z

а

с

b

a = b = c 

a = b = g = 90° 

a
b

g
х

y

z

 

Рис. 1.2. Элементарная ячейка в кубической системе:

а — схема; б — пространственное расположение

Такова решетка объемноцентрированного куба (ОЦК), которую можно рассматривать как сложную, состоящую из двух 
простых кубических решеток, сдвинутых относительно друг 
друга в направлении большой диагонали куба на расстояние, 
равное половине этой диагонали (рис. 1.3). Такую решетку образуют a‑железо, хром, ванадий, вольфрам, молибден, калий, 
натрий и другие металлы.
Решетка гранецентрированного куба (ГЦК) состоит из четырех простых кубических решеток, вставленных друг в друга таким образом, что углы кубов взаимно расположены в центрах граней (рис. 1.4).
Гранецентрированную решетку образуют, например, 
g‑железо, медь, никель, алюминий, золото, серебро. В ГЦКрешетке имеются плотно упакованные атомами параллельные 
плоскости и относительно большие свободные пространства 

1.1. Атомно-кристаллическое строение металлов

между ними, в противоположность решетке ОЦК, в которой 
атомы расположены по параллельным плоскостям, близко отстоящим друг от друга, причем каждая плоскость упакована 
атомами менее плотно.

                   а                                                    б

х

y

z

а

с

b

a = b = c 

a = b = g = 90° 

a
b

g

 

Рис. 1.3. Элементарная ячейка ОЦК кристаллической решетки:

а — схема; б — пространственное расположение

                 а                                                       б

х

y

z

а

с

b

a = b = c 

a = b = g = 90° 

a
b

g

 

Рис. 1.4. Элементарная ячейка ГЦК кристаллической решетки:

а — схема; б — пространственное расположение

Тетрагональная система. Может быть описана тремя взаимно перпендикулярными осями, из которых две равны, а третья 
им перпендикулярна, но не равна. Элементарная ячейка пред

1. Структура материалов и методы ее исследования 

ставляет собой вытянутый куб или призму с квадратным основанием (рис. 1.5). В такой решетке кристаллизуется белое олово, устойчивое выше 18 °C, и закаленная сталь.
               а                                                      б

z

х

с

y
а

b

+с

–b

+b

+a
–a

–c

a

g 

b

 

b

a

g
 
a = b № c 
a = b = g = 90° 

Рис. 1.5. Элементарная ячейка в тетрагональной системе:

а — схема; б — оси

Гексагональная система. Элементарная ячейка описывается 
четырьмя осями, три из которых равны и расположены в одной плоскости под углом 60°, а четвертая им перпендикулярна и не равна.
Металлы образуют, как правило, не простую, а плотноупакованную гексагональную решетку (ГПУ), представляющую собой сочетание двух вставленных одна в другую простых гексагональных решеток (рис. 1.6). Такую решетку имеют берилий, 
магний, цинк, кадмий и др.
Размеры кристаллической решетки характеризуются параметром (периодом), под которым понимают расстояние между параллельными атомными плоскостями, образующими элементарную ячейку. Параметр решетки измеряется в ангстремах 
(1 Å = 10–10 м). Различные металлы, имеющие однотипные кристаллические решетки, отличаются значением их параметров.
Гранецентрированная кубическая и гексагональная решетки наиболее плотно упакованы атомами. Под плотностью упа