Общий курс материаловедения для бакалавров машиностроительных специальностей

Ю.А. Курганова, Р.С. Фахуртдинов

Общий курс материаловедения для бакалавров 
машиностроительных специальностей

Лекции по актуальному перспективному 
материаловедению 

Учебное пособие

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

ISBN 978-5-7038-5035-0

УДК 620.22
ББК 30.3я73 
 
К93 

Издание доступно в электронном виде по адресу
ebooks.bmstu.press/catalog/46/book1954.html

Факультет «Машиностроительные технологии»
Кафедра «Материаловедение» 

Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор А.Ф. Третьяков; 
д-р техн. наук, профессор Н.Н. Зубков

 
Курганова, Ю. А.
К93 
 
Лекции по актуальному перспективному материаловедению. Общий 
курс материаловедения для бакалавров машиностроительных специальностей : учебное пособие / Ю. А. Курганова, Р. С. Фахуртдинов. — Москва : 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019. — 219, [1] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-5035-0 

Издание является первым в серии учебных пособий «Лекции по актуальному 
перспективному материаловедению».
Представлены теоретические основы и прикладные аспекты науки «Материаловедение». В доступной форме рассмотрены закономерности формирования 
структуры и способы управления свойствами материалов. Детально описан широкий спектр конструкционных материалов, их характерные свойства и области 
применения.
Для студентов бакалавриата, обучающихся по направлениям подготовки «Машиностроение», «Наноинженерия», «Электроника и наноэлектроника», «Стандартизация и метрология». Может быть полезно студентам всех специальностей, изучающим дисциплину «Материаловедение». 
УДК 620.22
ББК 30.3я73 

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019
© Оформление. Издательство  
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019 

Оглавление

Предисловие  .................................................................................................. 
4
Введение  ........................................................................................................ 
6

Модуль 1. Закономерности формирования структуры и способы 
управления свойствами материалов  ............................................................... 
8
Лекция 1. Вклад создания новых материалов в научно-технический 
прогресс  ....................................................................................... 
9
Лекция 2. Структура материалов  ................................................................. 16
Лекция 3. Дефекты кристаллического строения и фазовый состав  .......... 28
Лекция 4. Основные свойства, определяющие выбор материалов  ........... 39
Лекция 5. Формирование структуры металлов  ........................................... 55
Лекция 6. Формирование структуры деформированных металлов  ........... 66
Лекция 7. Теория сплавов. Построение диаграмм равновесного 
состояния  ..................................................................................... 71
Лекция 8. Основные виды диаграмм состояния двухкомпонентных 
сплавов  ......................................................................................... 78
Лекции 9–11. Термическая обработка  ......................................................... 85
Лекция 12. Химико-термическая обработка  ............................................... 103

Модуль 2. Материалы, применяемые в машиностроении  ............................. 108
Лекция 13. Критерии конструкционной прочности. Классификация 
конструкционных материалов  .................................................. 109
Лекции 14–15. Стали  .................................................................................... 122
Лекция 16. Материалы с высокими упругими свойствами ........................ 134
Лекция 17. Материалы с особыми технологическими свойствами  ........... 139
Лекция 18. Износостойкие материалы  ........................................................ 154
Лекции 19–20. Материалы с малой плотностью: алюминий 
и его сплавы, магний и его сплавы  ................................... 158
Лекция 21. Неметаллические материалы  .................................................... 169
Лекция 22. Материалы с высокой удельной прочностью: титан 
и его сплавы  ............................................................................... 182
Лекция 23. Керамические и композиционные материалы  ........................ 191
Лекции 24–25. Инструментальные материалы  ........................................... 204
Литература  ..................................................................................................... 215
Приложение. Диаграммы равновесного состояния  ................................... 216

Предисловие

Пособие подготовлено для самостоятельной проработки студентами 
дисциплины «Материаловедение», входящей в образовательную программу бакалавриата по направлениям подготовки 15.03.01 «Машиностроение», 
28.03.02 «Наноинженерия», 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника», 
27.03.01 «Стандартизация и метрология».
Для изучения курса материаловедения необходимо предварительное 
освоение следующих дисциплин: 
•• физика (молекулярная физика, физика твердого тела, строение твердых тел, магнетизм, электричество, механические, тепловые, магнитные 
и электрические свойства твердых тел);
•• химия (виды химической связи, зависимость свойств от положения 
элементов в периодической системе элементов Д.И. Менделеева, элементы 
электрохимии, химии полимеров);
•• информатика (технические средства ЭВМ, программное обеспечение 
ЭВМ, тестирование и отладка приложений).
Основной целью изучения курса является приобретение теоретических 
знаний и практических навыков в области оценки и управления свойствами 
машиностроительных материалов, а также анализа эффективности их использования для деталей машин с учетом конструкции и условий эксплуатации изделия. Полученные знания могут быть использованы студентами 
при выполнении курсовых проектов и проекта итоговой аттестации, а также 
в курсах по теории и практике технологической обработки материалов. 
Дисциплина относится к числу основополагающих, поскольку материалы являются базой современного производства и во многом определяют 
научно-технический и экономический потенциал страны.
Эта книга — первая в серии учебных пособий «Лекции по актуальному 
перспективному материаловедению», подготовленных в виде курсов лекций, читаемых профессорами и преподавателями кафедры «Материаловедение» МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
В 1929 г. в МВТУ была открыта кафедра «Металловедение». Ее основал 
выпускник Императорского московского технического училища выдающийся ученый Иван Иванович Сидорин. В 1958 г. кафедра получила название 
«Материаловедение» в соответствии с появлением новых, более широких 
задач в подготовке инженеров.
В 2019 г. кафедре исполняется 90 лет. Это были годы отработки фирменного стиля подготовки материаловедов, обладающих глубокими знаниями 
для работы в машиностроительной отрасли. 
За время существования кафедры ее сотрудниками было подготовлено 
более 60 учебников и учебных пособий, более 50 монографий и справочных 

Предисловие

изданий, многие из которых переведены на иностранные языки. Кафедра 
«Материаловедение» всегда была одной из ведущих в подготовке высококвалифицированных научных и инженерных кадров. В разные годы кафедру 
возглавляли выдающие ученые-материаловеды: И.И. Сидорин, В.О. Крениг, 
М.Н. Кунявский, Б.Е. Воловик, Б.Н. Арзамасов, Д.А. Прокошкин, Б.А. Прусаков, С.А. Герасимов. В настоящее время кафедрой руководит академик 
РАН Е.Н. Каблов. 
В серию «Лекции по актуальному перспективному материаловедению» 
войдут лекции по общему курсу материаловедения для специалистов и бакалавров в области машино- и приборостроения, а также лекции по специальным курсам для материаловедов.
Пособие структурировано по модульному принципу в соответствии 
с лекционным курсом «Материаловедение», который включает два модуля, 
изучаемых последовательно в течение одного семестра.
Модуль 1 «Закономерности формирования структуры и способы управления свойствами материалов» посвящен рассмотрению и анализу структуры и свойств материалов в зависимости от химического и фазового состава, 
а также основных способов управления комплексом механических и эксплуатационных свойств различных материалов.
Модуль 2 «Материалы, применяемые в машиностроении» содержит 
краткую информацию о наиболее распространенных группах материалов, 
применяемых в современном машиностроении. Состав, принципы маркировки, основные приемы формирования заданного комплекса свойств для 
конкретных групп материалов, особенности эксплуатации и рекомендации 
по применению.
Материал каждой лекции (за исключением первой — вводной) завершают задания и вопросы для самостоятельного контроля. В конце пособия 
предложен список рекомендованной литературы. В приложении представлены диаграммы равновесного состояния наиболее применяемых систем.
Авторы выражают благодарность и признательность всем коллегам, редакторам, рецензентам работы и будут считать свою задачу выполненной, 
если представленные сведения окажутся полезными.

Введение

Материалы, окружающие человека, определяют уровень и качество его 
жизни. Научно-технический прогресс определяется уровнем свойств, обеспечиваемых используемыми материалами. Разнообразие компонентов, 
применяемых технологий получения и способов внешнего воздействия, 
которые позволяют изменить комплекс механических и эксплуатационных 
свойств в заданном направлении, определяет важность ознакомления с наукой, объясняющей основные закономерности поведения материалов при 
различных условиях.
Для наиболее эффективного использования материалов в условиях 
современного производства необходимо следующее: 
•• изучение системы общих зависимостей состава, структуры и свойств 
существующих материалов; 
•• проработка положений и методов создания новых материалов с заданными свойствами; 
•• оценка возможностей и перспектив развития процессов обработки материалов; 
•• освоение методов анализа и управления характеристиками материалов; 
•• приобретение практических навыков исследования структуры и 
свойств; 
•• умение обоснованно выбирать материал для конкретных условий эксплуатации с учетом технологии изготовления заготовки и экономической 
эффективности.
Эффективное использование новых материалов порошковой металлургии, пластмасс, керамики, композиционных материалов, позволит экономить дефицитные металлы, снижать затраты энергии на производство  
материалов, уменьшать массу изделий, повышая эксплуатационные показатели.
Знакомство с основами материаловедения необходимо не только специалистам и научным работникам, но и любому человеку, интересующемуся 
последними научными достижениями. 
Как показывает практика и обширные научные исследования в области 
физики твердого тела и материаловедения, свойства материала определяются его составом и структурой. В свою очередь, структура зависит от состава и характера взаимодействия компонентов в системе, а также внесенных 
в энергетическое состояние системы изменений в результате воздействия 
внешней обработки (рис. В1). 
Сфера интересов материаловедения сосредоточена на исследовании сочетания «состав — структура — свойство», которое известно как ССС.

Введение

Состав — совокупность химических элементов, составляющих вещество. Структура (строение, расположение, 
порядок) — 
совокупность 
устойчивых связей, обеспечивающих 
его целостность. Свойство — характеристика, которая выражает количественное или качественное различие 
или общность с другими материалами и проявляется во взаимодействии 
с окружающей средой или другими 
материалами. В материаловедении эта  
характеристика является заключительным звеном во взаимосвязи ССС, 
а при разработке технологии и создании нового материала — основным, 
определяющим параметром или условием его получения. Совокупность различных свойств предопределяет назначение материала и граничные условия 
его эксплуатации.
Материаловедение входит в число основных дисциплин, знание которых 
обеспечивает должный уровень подготовки квалифицированного персонала 
технических специальностей и направлений подготовки. Приобретенные 
компетенции определяют профессиональную пригодность специалиста 
в области техники и технологии.

Рис. В1. Характеристики материала

Модуль 1. Закономерности формирования структуры  
и способы управления свойствами материалов

Первый модуль дисциплины «Материаловедение» посвящен рассмотрению 
и анализу структуры, в том числе на макро-, микро- и наноуровнях, основных 
свойств материалов в зависимости от химического и фазового состава, а также основных способов управления комплексом свойств материалов и возможностей изменения свойств при различных способах их обработки.
Кратко описаны принципы взаимодействия компонентов в системе и основы 
построения диаграмм равновесного состояния. Представлены основы термической обработки, выделены наиболее распространенные режимы. Отдельно 
рассмотрены особенности поверхностной и химико-термической обработки.

Ключевые слова: состав материала, структура материала, свойства материала, сплав, диаграмма равновесного состояния. 

Основные планируемые результаты обучения  
по модулю 1

После изучения модуля «Закономерности формирования структуры и способы управления свойствами материалов» вы приобретете:
• понимание ряда материаловедческих определений и терминов;
• навыки классификации материалов и объяснения методик получения 
основных свойств материалов;
• навыки чтения диаграмм равновесного состояния и умение пользоваться 
существующими для их оценки правилами;
• способность разбираться в закономерностях формирования структуры и 
свойств металлов и сплавов;
• способность ориентироваться в структурных составляющих рассматриваемых систем на различных структурных уровнях;
• умение оценивать зависимости свойств материалов от химического, фазового состава и структуры;
• умение оценивать способы управления структурным и фазовым составом 
материалов при термической и химико-термической обработке;
• навыки использования изученного материала для квалифицированного 
поиска, обобщения и анализа профессиональной информации по способам 
управления свойствами материалов.

Лекция 1. Вклад создания новых материалов  
в научно-технический прогресс 

Материалы в жизни человека. Предпосылки формирования материаловедения как науки. Ученые, внесшие вклад в развитие материаловедения. Роль новых 
материалов в научно-техническом прогрессе. Мматериалы в машиностроении.

Развитие человечества неразрывно связано с возможностями производства и эффективного использования материалов. Понимание значимости 
материалов в научно-техническом прогрессе, объективный выбор и владение базовыми навыками управления основными свойствами для достижения практического результата является основной задачей квалифицированного специалиста.

Предпосылки формирования материаловедения как науки

В настоящее время наука и в большей степени техника интенсивно развиваются, в результате создаются новые изделия в самых разных отраслях 
промышленности. Для их эффективного функционирования необходимы 
надежные и высококачественные материалы. Решением проблемы выбора наиболее подходящих материалов и методов достижения требуемого 
комплекса свойств занимается наука «Материаловедение», которая изучает 
строение и свойства материалов.
Стихийными материаловедами были еще древние люди. С течением 
времени человечество освоило самородные, а затем и рудные металлы, свойства которых были известны уже с VIII тысячелетия до н.э. Со временем самородные металлы были вытеснены выплавляемыми из руд, которые встречались в природе чаще и в больших количествах. В III тысячелетии до н.э. 
люди научились изготавливать и использовать бронзу (сплав меди с оловом), 
а также обрабатывать благородные металлы, уже широко известные к тому 
времени. Масштабы применения металлов возрастали, и человечество вступило из бронзового века в железный.
Древнегреческие философы Демокрит (около 460–370 гг. до н.э.) и Эпикур (341–270 гг. до н.э.) высказывали суждения о сущности качества материалов и о слагающих частицах вещества. Древнегреческий ученый Аристотель примерно в то же время установил 18 качеств материалов, в том числе: 
плавкость — неплавкость, вязкость — хрупкость, горючесть — негорючесть 
и т. п. Римский философ Тит Лукреций Кар (99–55 гг. до н.э.) в дидактической поэме «О природе вещей» рассуждал о природе свойств материалов:  
«…Что, наконец, представляется нам затверделым и плотным, то состоять из 

Модуль 1. Закономерности формирования структуры и способы управления…

начал крючковатых должно непременно, сцепленных между собой наподобие веток сплетенных».
В первых книгах по материаловедению итальянского исследователя 
Ванноччо Бирингуччо (1480–1539) и немецкого ученого Георга Агриколы 
(1494–1555) суммировались эмпирические сведения о сущности операций, 
выполняемых в литейном и кузнечном производствах, о плавлении руд и характере металлургического производства.
Согласно учению французского философа Рене Декарта (1596–1650), 
природа представляет собой непрерывную совокупность материальных частиц, движение материального мира вечно и сводится к перемещению мельчайших частиц, которые тогда называли корпускулами. Перемещение корпускул (атомов) составляло основу теории строения вещества. Несмотря на 
наличие у философов античного периода теорий и некоторых обобщений 
опытных данных, исследования, связанные с изучением внутреннего строения материалов, развивались медленно. 
Роберт Гук (1635–1703) — английский естествоиспытатель, ученый- 
энциклопедист, которого называют одним из отцов физики, в особенности 
экспериментальной (однако и во многих других науках ему принадлежат 
одни из первых основополагающих работ и множество открытий), разработал теории о свете, тяготении и строении материй, придумал вычислительную машину для сложных арифметических действий и усовершенствовал 
прибор, позволяющий изучать магнитное поле Земли. Во второй половине 
1670-х годов были написаны работы, посвященные теории упругости, ставшие почвой для знаменитого закона Гука.
Среди наиболее выдающихся работ следует назвать публикацию французского ученого Рене Антуана Реомюра (1683–1757) об исследовании изменений в структуре железа. Исследования привели к получению нового 
материала — ковкого чугуна.
Большой вклад в развитие науки о материалах внес гениальный русский 
ученый Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765), заложивший основы 
передовой русской философии и науки, особенно в области химии, физики, 
геологии. Он стал основоположником курса физической химии и химической атомистики, обосновывающей атомно-молекулярное строение вещества. В 1763 г. вышла книга «Первые основания металлургии или рудных 
дел» М.В. Ломоносова — выдающийся труд по металлургии (в частности, 
чугуна) и горному делу. По его инициативе была создана первая в России 
научно-исследовательская лаборатория, в которой в том числе были разработаны и составы цветных стекол.
Известный британский физик Майкл Фарадей (1791–1867) использовал 
химический анализ при изучении свойств булатной стали.
Из последующих работ по материаловедению особо следует отметить 
труды выдающегося русского металлурга, горного инженера генерал-майора 
Павла Петровича Аносова (1799–1839). Его исследования были посвящены 
разработке систем легирования сталей. Для изучения структуры металлов он 
использовал микроскоп. П.П. Аносов установил связь между строением стали и ее свойствами. По существу, он стал инициатором производства высококачественных булатных сталей, проблему изготовления которых блестяще