Основы металловедения и сварки

ОСНОВЫ 

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ 

И СВАРКИ

М.Д. МОСЕСОВ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

2-е издание, переработанное и дополненное

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом 

профессионального образования в качестве учебного пособия для студентов 

высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 

08.03.01 «Строительство» (квалификация (степень) «бакалавр») 

(протокол № 2 от 17.02.2021)

Москва 
ИНФРА-М 

202

УДК [669+621.791](075.8)
ББК 34.2:34.641я73
 
М81

Мосесов М.Д.

М81  
Основы металловедения и сварки : учебное пособие / М.Д. Мосе
сов. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 158 с. —
(Высшее образование). — DOI 10.12737/1085480.

ISBN 978-5-16-018565-1 (print)
ISBN 978-5-16-108522-6 (online)

В учебном пособии рассматриваются свойства металлов, применяемых 

в строительстве, способы их получения и обработки, а также методы и технические средства выполнения сварных соединений. 

Изложенный материал соответствует требованиям федеральных госу
дарственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения и программам курсов «Технология конструкционных 
материалов» и  «Металловедение и сварка», читаемых студентам факультетов «Промышленное и гражданское строительство», «Гидротехническое 
строительство», «Теплогазоснабжение и вентиляция», «Строительство 
уникальных зданий и сооружений», а также студентам первого курса факультета «Механизация, автоматизация и электрификация строительства» 
и магистрантам, изучающим курс металлических конструкций и технологий конструкционных материалов. 

Будет полезно студентам в освоении лекционного материала, прове
дении лабораторных работ и выполнении дипломных проектов, а также 
слушателям курсов повышения квалификации и переподготовки кадров 
строительных специальностей.

УДК [669+621.791](075.8)

ББК 34.2:34.641я73

А в т о р:

Мосесов М.Д. (1935–2021), кандидат технических наук, доцент, 

профессор кафедры металлических и деревянных конструкций 
Академии строительства и архитектуры Самарского государственного технического университета 
Р е ц е н з е н т ы:

Холопов И.С., доктор технических наук, профессор;
Юрченко Ю.И., кандидат технических наук, главный инженер фирмы 

«Парекс»

ISBN 978-5-16-018565-1 (print)
ISBN 978-5-16-108522-6 (online)

© Мосесов М.Д., 2016
© Мосесов М.Д., 2021, 

с изменениями

Предисловие

Учебное пособие предназначено для студентов и магистрантов строительных специальностей ПГС («Промышленное 
и гражданское строительство»), ГТС («Гидротехническое 
строительство»), ТГВ («Теплогазоснабжение и вентиляция»), 
СУЗиС («Строительство уникальных зданий и сооружений») 
и др., изуча ющих курсы металлических конструкций и технологий конструкционных материалов. Изложенный материал 
соответствует программе курса «Технология конструкционных 
материалов».
Необходимость написания такого пособия продиктована, 
во-первых, сложностью, спецификой и большим объемом материала, излагаемого в специальной литературе, и, во-вторых, 
отсутствием учебной литературы, в которой в доступной форме 
была бы изложена сущность предмета в объеме, предусмотренном программой.
В учебном пособии рассматриваются вопросы получения 
металлов, их свойства и особенности, способы получения материалов с заданными характеристиками, выбор материалов, 
обеспечивающих достаточную надежность и долговечность сооружений в соответствии с условиями эксплуатации. Особое 
внимание уделено устройству и принципу работы сварочных 
аппаратов с высокочастотными преобразователями с компьютерным управлением, которые в настоящее время находят достаточно широкое применение.
Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук, профессору И.С. Холопову и кандидату технических 
наук, главному инженеру фирмы «Парекс» Ю.И. Юрченко 
за советы и замечания, высказанные при обсуждении рукописи.
В результате освоения материала, изложенного в учебном 
пособии, обучающийся будет:
знать
 
• технологии и способы получения сплавов, применяемых 
в строительной практике;

Предисловие

 
• каким образом обеспечиваются заданные эксплуатационные характеристики материалов;
уметь
 
• практически использовать данные нормативной литературы при проектировании ответственных сооружений;
 
• выбирать материал для конструкций, обеспечивающий надежность и экономическую эффективность;
владеть
 
• методами и технологиями подбора соответствующего материала и конструкциями соединений, обеспечивающих технологичность монтажа конструкций; 
 
• навыками оптимального проектирования.
Главы учебного пособия сопровождаются контрольными 
вопросами и заданиями. Изложенный материал соответствует 
требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.

Глава 1 
Металлы

1.1. ОснОвы МеталлОведения

1.1.1. строение металлов
В технике под металлами понимают вещества, обладающие 
комплексом металлических свойств: характерным металлическим блеском, высокой электропроводностью, хорошей теплопроводностью, высокой пластичностью.
Все вещества в твердом состоянии могут иметь кристаллическое или аморфное строение. В аморфном веществе атомы 
расположены хаотично, а в кристаллическом — в строго определенном порядке. Все металлы в твердом состоянии имеют 
кристаллическое строение.
Для описания кристаллической структуры металлов пользуются понятием кристаллической решетки. Кристаллическая 
решетка — это воображаемая пространственная сетка, в узлах 
которой расположены атомы. Наименьшая часть кристаллической решетки, определяющая структуру металла, называется элементарной кристаллической ячейкой.

а
б

Рис. 1.1. Кристаллические решетки:

а — ОЦК; б — ГЦК

На рис. 1.1 изображены элементарные ячейки для наиболее 
распространенных кристаллических решеток. В кубической 

Глава 1. Металлы

объемноцентрированной решетке (объемноцентрированном 
кубе) — ОЦК (рис. 1.1, а) атомы расположены в узлах ячейки 
и один атом — в центре куба. Такую решетку имеют хром, 
вольфрам, молибден и другие металлы. На рис. 1.1, б показан 
гранецентрированный куб — ГЦК. Здесь атомы расположены 
в узлах ячейки, а также в центре каждой грани. Такую решетку 
имеют медь, никель и другие металлы. 

1.1.2. Кристаллизация металлов
Процесс образования в металлах кристаллической решетки 
называется кристаллизацией. Для изучения процесса кристаллизации строят кривые охлаждения металлов, которые показывают изменение температуры во времени. На рис. 1.2 приведены кривые охлаждения аморфного и кристаллического 
веществ. 

а
б

T

t

T

t

Жидкое состояние

Твердое состояние

Ткр

Рис. 1.2. Кривые охлаждения аморфной  
и кристаллической структур

Затвердевание аморфного вещества (рис. 1.2, а) происходит постепенно, без резко выраженной границы между 
жидким и твердым состояниями. На кривой охлаждения 
кристаллического вещества (рис. 1.2, б) имеется горизонтальный участок с температурой Tкр, называемой температурой 
кристаллизации. Наличие этого участка говорит о том, что 
процесс сопровождается выделением скрытой теплоты крис

1.1. Основы металловедения

таллизации. Длина горизонтального участка — это время кристаллизации.
Кристаллизация металла происходит постепенно. Она объединяет два процесса, протекающих одновременно: возникновение центров кристаллизации и рост кристаллов. В процессе кристаллизации, когда растущий кристалл окружен 
жидкостью, он имеет правильную геометрическую форму. 
При столкновении растущих кристаллов их правильная 
форма нарушается (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Схема процесса кристаллизации металла

После окончания кристаллизации образуются кристаллы 
неправильной формы, которые называются зернами или кристаллитами. Внутри каждого зерна имеется определенная 
ориентация кристаллической решетки, отличающаяся от ориентации решеток соседних зерен.
Некоторые металлы в зависимости от температуры могут 
существовать в различных кристаллических формах. Это явление называется полиморфизмом или аллотропией, а различные кристаллические формы одного вещества — полиморфными модификациями. Процесс перехода от одной кристаллической формы к другой называется полиморфным 

Глава 1. Металлы

превращением. Полиморфные превращения протекают при 
определенной температуре.
Полиморфные модификации обозначают строчными греческими буквами α, β, γ, δ и т.д., причем α соответствует модификации, существующей при наиболее низкой температуре. 
Полиморфизм характерен для железа, олова, кобальта, марганца, титана и некоторых других металлов. Важное значение 
имеет полиморфизм железа. На рис. 1.4 изображена кривая 
охлаждения железа. Полиморфные превращения характеризуются горизонтальными участками на кривой охлаждения, 
так как при них происходит полная перекристаллизация металла. До температуры 911°С устойчиво альфа-железо (Feα), 
имеющее кубическую объемноцентрированную решетку. 

Жидкое состояние

1539

t, °C

1392

911

768

Время

Feδ

Feγ

Feα

Рис. 1.4. Кривая охлаждения железа

В интервале 911–1392°С вновь устойчиво гамма-железо 
(Feγ) с кубической гранецентрированной кристаллической решеткой. При температурах 1392–1539°С вновь устойчиво Feα. 
Часто высокотемпературную модификацию Feα обозначают 
Feδ (дельта-железо). Остановка на кривой охлаждения при 

1.1. Основы металловедения

температуре 768°С связана не с полиморфным превращением, 
а с изменением магнитных свойств. До температуры 768°С железо магнитно, а выше — немагнитно.

1.1.3. дефекты кристаллического строения
Реальный металлический кристалл всегда имеет дефекты 
кристаллического строения. Они подразделяются на точечные, линейные и поверхностные.

a
б
в

Рис. 1.5. Схемы точечных дефектов в кристаллах

Точечные дефекты малы во всех трех измерениях. К ним 
относятся вакансии, представляющие собой узлы кристаллической решетки, в которых отсутствуют атомы (рис. 1.5, а), 
а также замещенные атомы примеси (рис. 1.5, б) и внедренные 
атомы (рис. 1.5, в), которые могут быть как примесными, так 
и атомами основного металла. Точечные дефекты вызывают 
местные искажения кристаллической решетки, которые затухают достаточно быстро по мере удаления от дефекта. Поверхностные дефекты малы только в одном измерении. К ним относятся, например, границы между отдельными зернами или 
группами зерен. 
Линейные дефекты (линейные несовершенства). Они 
имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Этими несовершенствами 
могут быть ряд вакансий или ряд межузельных атомов. Особыми и важнейшими видами линейных несовершенств являются краевые и винтовые дислокации.

Глава 1. Металлы

Краевая дислокация (рис. 1.6) представляет собой локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное наличием в ней «лишней» атомной полуплоскости или экстраплоскости.

a
б

Экстраплоскость

Рис. 1.6. Краевые дислокации

Наиболее простой и наглядный способ образования дислокаций в кристалле — сдвиг (рис. 1.6, а). Если верхнюю часть 
кристалла сдвинуть относительно нижней на одно межатомное расстояние, причем зафиксировать положение, когда 
сдвиг охватит не всю плоскость скольжения, а только часть ее, 
то граница между участком, где скольжение уже произошло, 
и участком в плоскости скольжения, в котором скольжение 
еще не произошло, и будет дислокацией.
Край экстраплоскости по линии сдвига представляет собой 
линию краевой дислокации, которая простирается вдоль плоскости скольжения (перпендикулярно к вектору сдвига) через 
всю толщу кристалла (рис. 1.6, б). В поперечном сечении, где 
имеет место существенное нарушение в периодичности и расположении атомов, размеры дефекта малы и не превышают 
трех–пяти периодов решетки.
Дислокационные линии не обрываются внутри кристалла, 
они выходят на его поверхность, заканчиваются на других 
дислокациях или образуют замкнутые дислокационные петли.