Материаловедение и технология конструкционных материалов. Часть 1

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 
И ТЕХНОЛОГИЯ 
КОНСТРУКЦИОННЫХ 
МАТЕРИАЛОВ
ЧАСТЬ 1

Н.М. РОМАНЧЕНКО

Москва
ИНФРА-М
2024

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
ФГБОУ ВО «Красноярский государственный аграрный университет»

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3я73
 
Р69

Р е ц е н з е н т ы:

Ф.М. Носков, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры 

материаловедения и технологии обработки материалов Политехнического института Сибирского федерального университета;

А.А. Климов, кандидат технических наук, доцент, доцент Краснояр
ского института железнодорожного транспорта — филиала Иркутского государственного университета путей сообщения

ISBN 978-5-16-018417-3 (print)
ISBN 978-5-16-111450-6 (online)

© Красноярский государственный 

аграрный университет, 2024

Романченко Н.М.

Р69 
 
Материаловедение и технология конструкционных материалов. 

Часть 1 : учебное пособие / Н.М. Романченко. — Москва : ИНФРА-М, 
2024. — 309 с. — (Высшее образование). — DOI 10.12737/2001723.

ISBN 978-5-16-018417-3 (print)
ISBN 978-5-16-111450-6 (online)
Учебное пособие содержит основные теоретические сведения и методи
ческие указания по выполнению лабораторных работ по разделу «Материаловедение» дисциплины «Материаловедение и технология конструкционных материалов». Для проверки полученных знаний предложены 
контрольные тестовые задания.

Соответствует требованиям федеральных государственных образова
тельных стандартов высшего образования последнего поколения.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям под
готовки 35.03.06 «Агроинженерия», 15.03.02 «Технологические машины 
и оборудование».

УДК 620.22(075.8)

ББК 30.3я73

Введение

Настоящее учебное пособие предназначено для изучения первой 
части дисциплины «Материаловедение и технология конструкционных материалов» студентами, обучающимися по направлениям 
35.03.06 «Агроинженерия» и 15.03.02 «Технологические машины 
и оборудование».
Материаловедение и технология конструкционных материалов является наукой о строении, свойствах и технологии создания материалов. Эта область знаний относится к числу основополагающих инженерных дисциплин, поскольку изготовление 
традиционных и разработка новых материалов, изучение свойств 
и способы их обработки являются основой современного производства.
Достаточный уровень знаний в области материаловедения и технологии материалов является важным показателем образованности 
специалистов в области агроинженерии и пищевых производств.
В результате изучения первой части курса «Материаловедение 
и технология конструкционных материалов» студент будет:
знать
 
• основные виды конструкционных и сырьевых, металлических 
и неметаллических материалов;
 
• классификацию, свойства, маркировку и область применения 
конструкционных материалов, принципы их выбора для применения в производстве;
 
• основные сведения о назначении и свойствах металлов и сплавов, 
о технологии их производства;
 
• особенности строения металлов и их сплавов, закономерности 
процессов кристаллизации и структурообразования;
 
• основы термообработки металлов;
 
• способы защиты металлов от коррозии;
 
• особенности строения, назначения и свойства различных групп 
неметаллических материалов;
 
• классификацию и способы получения композиционных материалов;
уметь
 
• распознавать и классифицировать конструкционные и сырьевые 
материалы по внешнему виду, происхождению, свойствам;
 
• подбирать материалы по их назначению и условиям эксплуатации для выполнения работ;

• выбирать и расшифровывать марки конструкционных материалов;
 
• определять твердость металлов;
 
• определять режимы отжига, нормализации закалки и отпуска 
стали;
владеть 
 
• методикой выбора конструкционных материалов для изготовления элемен  тов машин и механизмов.
В предлагаемом учебном пособии представлены основной теоретический материал и лабораторные работы.
Лабораторные работы предусматривают закрепление теоретических знаний, полученных на лекциях и при чтении специальной 
литературы, знакомство с оборудованием и материалами, приобретение практических навыков при проведении макроскопического, 
микроскопического, термического анализа, термической обработки 
и определении механических свойств металлов и сплавов.
Для проверки полученных знаний по каждой из глав предложены контрольные вопросы и образцы тестовых заданий для текущего контроля по всем разделам дисциплины.

Раздел I. 
ОСНОВЫ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ 
МАТЕРИАЛОВ. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ

Глава 1. 

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ. 
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

Металловедение — наука, изучающая строение и свойства металлов и устанавливающая связь между их составом, строением 
и свойствами.
Что такое металл?
В химии под металлами понимают определенную группу 
элемен тов, расположенную в левой части Периодической таблицы 
Д.И. Менделеева. Элемен ты этой группы, вступая в химическую 
реакцию с элементами, являющимися неметаллами, отдают им 
свои внешние, так называемые валентные электроны. Это является следствием того, что у металлов внешние электроны непрочно 
связаны с ядром; кроме того, на наружных электронных оболочках 
электронов немного (всего 1–2), тогда как у неметаллов электронов 
много (5–8). Все элемен ты, расположенные левее галлия, индия 
и таллия, — металлы, а правее мышьяка, сурьмы и висмута — неметаллы.
В технике под металлом понимают вещества, обладающие «металлическим» блеском, в той или иной мере присущим всем металлам, и пластичностью. По этому признаку металлы можно легко 
отличить от неметаллов — например, дерева, камня и др.
Кроме металлического блеска и пластичности все металлы обладают высокой электро- и теплопроводностью.
Теория металлического состояния рассматривает металл как 
вещество, состоящее из положительно заряженных ионов, окру

женных отрицательно заряженными частицами — электронами, 
слабо связанными с ядром. Эти электроны непрерывно перемещаются внутри металла и принадлежат не одному какому-то атому, 
а всей совокупности атомов.
Таким образом, характерной особенностью атомно-кристаллического строения металлов является наличие электронного газа 
внутри металла, слабо связанного с положительно заряженными 
ионами. Легкое перемещение этих электронов внутри металла 
и малая их связь с атомами обуславливают наличие у металлов 
определенных металлических свойств (высокая электро- и теплопроводность, пластичность и др.).
По некоторым общим признакам металлы объединяют в группы.
Прежде всего, все металлы можно разделить на две большие 
группы — черные и цветные.
Черные металлы имеют темно-серый цвет, большую плотность 
(кроме щелочноземельных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость и во многих случаях обладают полиморфизмом.
Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую, белую. Обладают большой пластичностью, малой 
твердостью, относительно низкой температурой плавления, полиморфизм встречается редко.
Черные металлы подразделяются:
 
• на железные — Fe, Co, Ni, Mn; Co, Ni, Mn часто применяют как 
добавки к сплавам железа, а также как основу для соответствующих сплавов;
 
• тугоплавкие, температура плавления которых выше, чем у Fe 
(т.е. выше, чем 1539°С);
 
• урановые — актиниды, имеющие преимущественное применение 
в сплавах для атомной энергетики;
 
• редкоземельные (РЗМ) — лантан (La), церий (Ce) и сходные 
с ними по свойствам иттрий (Y) и скандий (Sc). Их применяют 
как присадки к сплавам других элемен  тов;
 
• щелочноземельные (Li, Na, K, Rв, Cs, Fr, Ca, Sr, Ba, Ra) — в свободном металлическом состоянии не применяются, за исключением специальных случаев.
Цветные металлы подразделяются:
 
• на легкие — Be, Mg, Al, обладающие малой плотностью;
 
• благородные — Ag, Au, металлы платиновой группы. К ним 
может быть отнесена и «полублагородная» медь. Обладают высокой коррозионной стойкостью;
 
• легкоплавкие — Zn, Cd, Hg, Sn, Bi, Tl, Sb, Ga, Ge, Pb.

1.2. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Всякое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях — твердом, жидком и газообразном. В чем различие?
В газах нет закономерности расположения частиц (атомов, 
молекул); частицы хаотически двигаются, отталкиваются одна 
от другой, и газ стремится занять возможно большой объем.
В твердых телах порядок расположения атомов определенный, 
закономерный, силы взаимного притяжения и отталкивания уравновешены, и твердое тело сохраняет свою форму.
В жидкости частицы сохраняют лишь так называемый ближний 
порядок, т.е. в пространстве закономерно расположено небольшое 
количество атомов, а не атомы всего объема, как в твердом теле. 
Ближний порядок неустойчив, он то возникает, то исчезает под 
действием тепловых колебаний.
Правильное, закономерное расположение частиц атомов, молекул в пространстве характеризует кристаллическое состояние. 
Кристаллическое строение можно представить себе в виде пространственной кристаллической решетки, в узлах которой расположены атомы.
Расположение атомов в кристалле удобно изображать в виде 
так называемых элементарных кристаллических ячеек. Под ними 
подразумевается наименьший комплекс атомов, который при многократном повторении в пространстве позволяет воспроизвести 
пространственную кристаллическую решетку.
Большинство металлов имеют простые кристаллические решетки: объемно-центрированную кубическую, гранецентрированную кубическую или гексаго нальную (рис. 1).
Взаимное расположение атомов в пространстве и величину междуатомных расстояний определяют рентгеноструктурным анализом.
Простейшим типом кристаллической ячейки является кубическая решетка. В простой кубической решетке атомы расположены 
(упакованы) достаточно плотно.
Стремление атомов занять места, наиболее близкие друг к другу, 
приводит к образованию решеток других типов: кубической объемно-центрированной, кубической гранецентрированной, гексагональной плотноупакованной.
Кружки, изображающие атомы, располагаются в центре куба 
и по его вершинам (куб объемно-центрированный), или в центрах 
граней и по вершинам куба (куб гранецентрированный), или в 
виде шестигранника, внутрь которого наполовину вставлен также 

шестигранник, три атома верхней плоскости которого находятся 
внутри шестигранной призмы (гексаго нальная решетка).

а

а

а

G

B
A

D

E
F

C

C

а

а

а

б

в

Рис. 1. Элементарные кристаллические решетки металлов:
а — объемно-центрированный куб (о.ц.к.); б — гранецентрированный куб; 
в — гексаго нальная

Атомы в решетке располагаются друг относительно друга таким 
образом, чтобы обеспечивался наилучший взаимообмен электронами (при этом вся система имеет наименьшую внутреннюю 
энергию). А условия для такого обмена тем лучше, чем плотнее 
друг к другу находятся ион-атомы. Плотнейшими же упаковками 
шаров являются кубическая гранецентрированная и гексагональная. И в том, и в другом случае в моделях таких кристаллов 
74% объема заполнено условными шарами.
Большинство металлов имеет именно такие упаковки ионатомов: гранецентрированную — Al, Cu, Pb, Ni, Au, Ag и др.; гексагональную — Mg, Cd, Zn, Be и др. У многих металлов объемно-цен

трированная упаковка — здесь условными шарами заполнено 68% 
объема — Li, Cr, V, Mo, W и др.
Размеры кристаллической решетки характеризуются параметрами, или периодами, решетки, которые измеряются в ангстремах (1А = 10–10 м). Кубическую решетку определяет один параметр — длина ребра куба а (например, у хрома а = 2,9 А, у алюминия а = 4,04 А), а гексаго нальную — а и с.
В гексаго нальной решетке, если три атома внутри решетки касаются атомов, расположенных на верхних и нижних плоскостях, 
то имеем плотноупакованную гексаго нальную решетку. Размеры 
гексаго нальной плотноупакованной решетки имеют постоянное 
значение с/а = 1,633. При иных значениях с/а получается неплотноупакованная гексаго нальная решетка.
Некоторые металлы имеют тетраго нальную решетку, она характеризуется тем, что ребро с не равно ребру а. Отношение этих параметров характеризует так называемую степень тетраго нальности. 
При с/а = 1 получается кубическая решетка. Тетраго нальная решетка (как и кубическая) может быть простой, объемно-центрированной и гранецентрированной.
Существенное значение для свойств данного металла или сплава 
имеет число атомов, находящихся во взаимном контакте. Это определяется числом атомов, равностоящих на ближайшем расстоянии 
от любого атома.
Число атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от данного атома, называется координационным числом. 
Так, например, атом в простой кубической решетке имеет шесть 
ближайших равностоящих соседей, т.е. координационное число 
этой решетки равно 6.
Кристаллы металлов обыч но имеют небольшие размеры. Поэтому металлическое изделие состоит из очень большого числа 
кристаллов.
Подобное строение называется поликристаллическим. По ряду 
причин (будет сказано ниже) отдельные кристаллы не имеют возможности принять правильную форму. Кристаллы неправильной 
формы в поликристаллическом агрегате называются зернами 
или кристаллитами.
Различие отдельных зерен состоит в различной пространственной ориентации кристаллической решетки, случайной ориентации.
При очень медленном отводе тепла при кристаллизации, а также 
с помощью других специальных способов может быть получен 
кусок металла, представляющий собой один кристалл, так назы

ваемый монокристалл. Монокристаллы используются в полупроводниковой промышленности.
Кристаллические решетки реальных металлов имеют несовершенства в своем строении.
В чем же физическая причина возникновения дефектов в кристаллической решетке металла?
Находящиеся в узлах решетки ион-атомы не остаются неподвижными. Они колеблются с тем большей амплитудой, чем выше 
температура. При ее повышении увеличивается средняя энергия 
большинства ион-атомов, причем в результате их взаимодействия 
друг с другом отдельные из них приобретают столь большую 
энергию, что могут покинуть положение равновесия. После этого 
они или странствуют внутри кристаллической решетки, или испаряются с поверхности металла в окружающее пространство. Блуждающие в решетке ион-атомы называют дислоцированными (дислокация по-английски значит смещение, сдвиг), а пустое место, 
откуда ушел ион-атом, — вакансией, или «дыркой». В узлах решетки либо между узлами могут находиться и примесные атомы.
Описанные дефекты кристаллических решеток называются точечными (рис. 2).

а
б
в

Рис. 2. Точечные дефекты в кристаллической решетке:
а — вакансия; б — дислоцированный атом; в — примесные атомы замещения 
или внедрения

Другим важнейшим видом несовершенства кристаллического 
строения являются линейные дефекты, или так называемые дислокации (рис. 3).
Так что же такое дислокация? Это особый вид расположения 
атомов. Представим себе кристалл (см. рис. 3), в котором появилась 
лишняя полуплоскость атомов, называемая экстраплоскостью. 
Край этой плоскости 3 – 3 образует дефект решетки, который называется линейной (краевой) дислокацией.
Краевая дислокация может простираться в длину на многие тысячи параметров решетки, может быть прямой, может выгибаться