Основы современного материаловедения

О.С. Сироткин 
Р.О. Сироткин
Основы 
современного 
материаловедения
УчебнИК
2-е издание, исправленное и дополненное
Допущено 
Научно-методическим советом по материаловедению 
 
и технологии конструкционных материалов 
 
Министерства образования и науки РФ в качестве 
 
учебника для студентов высших учебных заведений, 
 
обучающихся в области техники и технологии
Москва
ИНФРА-М
2024

УДК 620.1(075.8)
ББК 30.3я73
 
С40
Р е ц е н з е н т ы:
Фетисов Г.П.  — кандидат технических наук, профессор, заведующий 
кафедрой технологии конструкционных материалов Московского авиационного института, председатель Научно-методического совета по материаловедению и технологии конструкционных материалов Министерства образования 
и науки Российской Федерации;
Хацринов А.И. — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии неорганических веществ и материалов Казанского национального исследовательского технологического университета
Сироткин О.С.
С40 
 
Основы современного материаловедения : учебник / О.С. Сироткин, Р.О. Сироткин. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 381 с. + Доп. 
материалы [Электронный ресурс]. — (Высшее образование). — 
DOI 10.12737/2111845.
ISBN 978-5-16-019368-7 (print)
ISBN 978-5-16-112031-6 (online)
В учебнике приведены данные о современных тенденциях расширения и изменения номенклатуры используемых на практике материалов и проблемах фундаментального становления материаловедения в XXI в. Изложены современные концептуальные и теоретические фундаментальные положения материаловедения как 
единой научной и учебной дисциплины с опорой на четыре базисные научные инновации. Показано, что единство природы металлических и неметаллических органических (углеродных) и неорганических (безуглеродных) полимерных материалов 
и специфика их отличий в структуре и свойствах раскрываются через универсальную 
систему базисных материалистических понятий, многоуровневую классификацию 
их структур, единую модель химической связи элементов микроструктуры и систему 
химических связей и соединений (СХСвС). Рассматриваются практические основы 
универсальной методологии проектирования структуры, свойств и технологий современных металлических, неметаллических и смешанных типов материалов (металлы, полимеры, керамика и т.д.).
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Для студентов, обучающихся в области различных направлений техники и технологии, получающих знания по общему и прикладному материаловедению, а также 
для аспирантов, научных работников и преподавателей, специализирующихся в данном научном направлении.
УДК 620.1(075.8)
ББК 30.3я73
Материалы, отмеченные знаком 
, 
доступны в электронно-библиотечной системе Znanium
© Сироткин О.С., Сироткин Р.О., 
2015
© Сироткин О.С., Сироткин Р.О., 
ISBN 978-5-16-019368-7 (print)
ISBN 978-5-16-112031-6 (online)
2024, с изменениями

ПРЕДИСЛОВИЕ
Посвящается 100-летию со дня рождения 
Сироткина Семена Сергеевича — 
отца и деда авторов настоящего учебника, 
полковника Советской Армии, 
зародившего в нас интерес к науке...
Использование материаловедения человечеством для своего 
-
жизнеобеспечения насчитывает не одно тысячелетие. В результате 
эволюции в расширении номенклатуры применяемых на практике 
материалов в развитии материаловедения и технологий получения 
материалов можно выделить 6 исторических этапов (см. рис. 1.2 
главы 1). Однако эта важнейшая научная и учебная дисциплина 
даже к началу XXI в. так и не достигла уровня самостоятельной 
строгой и единой фундаментальной науки о металлах и неметаллах, 
характеризуемой индивидуальными признаками, отличающими ее 
от химии, физики, механики, физики твердого тела и других естественных наук [1, 2]. Спорными являются даже определения самого материаловедения и главного объекта ее изучения — материала. 
Часто также пытаются декларировать, что это неважно, но как 
можно что-то серьезно обсуждать или тем более преподавать эту 
дисциплину без опоры на четко сформулированные определения ее 
базовых фундаментальных понятий, отличающих материаловедение 
от других наук? Ведь прежде чем начать обсуждение любой темы, 
очевидно «необходимо договориться о понятиях» (Аристотель), 
иначе это превращается в разговор «глухого со слепым» и эффект 
от такого общения и образования легко спрогнозировать.
Решение этих проблем, по мнению авторов, должно опираться 
на естественно-научную материалистическую идеологию четвертого — интегрально-дифференциального этапа развития знания 
в истории человечества, наступившего на рубеже XX–XXI вв., позволяющую раскрыть в характеристике различных материалов, как их 
индивидуальность, так и единство материальной  природы вещества, 
лежащего в их фундаменте [3, 4]. В основе этой классической научной идеологии лежит главенствующий материалистический принцип 
«материя первична, сознание вторично», что и отличает ее от идеологии идеализма, трактующей этот принцип наоборот, и агностицизма, 
признающего непознаваемость Природы. Поэтому объективное знание, как совокупность непротиворечия теории и практики, можно 
получить, прежде всего, через идеологию научного материализма. 
Однако на данном историческом этапе кризис в развитии науки 
и образования [4, 5] произошел ввиду обострения борьбы двух раз3

личных идеологий, включая попытки принизить фундаментальные 
естественно-научные подходы, развиваемые в СССР и других прогрессивных странах мира, что и приводит в том числе и к замедлению 
в развитии материаловедения.    
Критерием зрелости любой научной дисциплины является наличие в ней единой теории строения основных разновидностей материального объекта (в нашем случае металлических и неметаллических материалов, изучаемых в ней) и системы, объединяющей их 
в единое целое. Например, в атомной физике есть единая теория 
строения атомов (теория Резерфорда — Бора) и периодическая система атомов Д.И. Менделеева, объединяющая и раскрывающая 
единство их природы и разницу в структуре и свойствах различных 
атомов. Следует признать, что ничего подобного в отношении к материалу в традиционных учебниках по материаловедению нет, а металлы и различные неметаллические материалы рассматриваются 
отдельно друг от друга без ответа на главные фундаментальные вопросы этой дисциплины, т.е. они не отвечают на вопросы: «Что является общим фундаментом единства их материальной природы?», 
«Что определяет разницу в их структуре и свойствах?», «В чем заключается индивидуальность и фундаментальность материаловедения, 
в отличие от других наук»? 
Предлагаемый читателю учебник «Основы современного материаловедения» (2-е издание) как раз и направлен на решение этих 
фундаментальных проблем по формированию основ общего (единого) материаловедения и ответа на главные фундаментальные вопросы этой науки, сформулированные выше. В концентрированном 
виде ответы на эти вопросы можно получить из четырех базисных 
инноваций, размещенных соответственно в 1-й, 4-й, 5-й и 6-й главах 
2-го издания настоящего учебника, а также на 4-х его форзацах.
1.  Первая базисная инновация. Система логично связанных базовых (основных и вспомогательных) понятий материаловедения, раскрывающая смысл предмета, идеологию управления структурой и свойствами материалов, основы их системной классификации материалов и т.д. (Сироткин О.С, Сироткин Р.О.).
2.  Вторая базисная инновация. Унифицированная классификация 
основных уровней структурной организации металлических и неметаллических (полимерных) материалов (Сироткин О.С., Сироткин Р.О.).
3.  Третья базисная инновация. Плоскостное изображение единой 
модели химической связи элементов электронно-ядерной микроструктуры металлов и неметаллов как совокупности ковалентной — 
К (точка К), металлической — М (вдоль оси Х) и ионной — И (вдоль 
оси Y), составляющих (компонент) реального взаимодействия атомных остовов (ядер) в гомо- (Э′—Э″) и гетероядерных (Э′—Э″) связях 
4

(Сироткин О.С., Сироткин Р.О.). Таким образом, состояние ОЭ и характер их «локализации-делокализации» в межъядерном пространстве (рис. 5.13) можно описать в общем виде уравнением суммарной 
волновой функции (см. параграф 5.3, формулы (5.6), (5.7)).
4.  Четвертая базисная инновация. «Химический треугольник» (XT) 
как единая система химических связей и соединений (СХСвС), веществ, металлических и неметаллических материалов на их основе 
(Сироткин О.С., Сироткин Р.О., вариант 2005 г.).
Эти базисные научные инновации сформулированы и разработаны авторами данного учебника и их коллегами по научной школе, 
которая называется «Школа интегрально-дифференциального совершенствования теории и практики единой химии (включая органические и неорганические соединения и полимеры), унитарного 
материаловедения и естествознания в целом».
Сегодня раскрытие теоретических основ материаловедения традиционно связывают с металловедением, с опорой на физику твердого тела и реже на химию. Это связано, прежде всего, с тем, что 
металлы являются основными конструкционными и инструментальными материалами в машиностроении и технике, находящимися 
в твердом состоянии [1]. Хотя понятно, что древесина, камень и керамика исторически намного раньше использовались в качестве конструкционных материалов в строительстве и стройиндустрии в целом, изготовлении оружия, средств передвижения, бытовых приборов, одежды и т.д. Причем значительная часть из них являются 
природными органическими (целлюлоза и древесина в целом) и неорганическими полимерами, включая и искусственные неорганические (безуглеродные) полимерные материалы, типа стекол и керамик, на основе безуглеродных высокомолекулярных соединений (ВМС) [6]. 
Справка. Правда, полимерная структура веществ, их составляющих, 
(целлюлоза, силикаты и т.д.) была доказана значительно позднее начала их практического использования, что сегодня определило новые 
перспективы их эффективного практического применения. Например, наличие макромолекул, а не ионов в структуре оксидов кремния 
и полимерная природа силикатов в целом (хотя это утверждал еще 
Д.И. Менделеев) и ряда других неорганических веществ была окончательно доказана лишь в середине XX в. (Л. Полинг, В. Брэгг, 
Ф. Махачки, Н. Белов и др.). В частности, 11 января 1993 г. в Московском химико-технологическом институте им. Д.И. Менделеева 
впервые в Российской Федерации доцентом О.С. Сироткиным 
по специальности 02.00.06 (химия высокомолекулярных соединений) 
была защищена докторская диссертация на тему «Безуглеродные 
(неорганические) полимерные элементооксаны». Объектом исследования в ней [6] явилось изучение и раскрытие особенностей полимерного строения чисто неорганических веществ со связями Э-О 
5

(силикаты, фосфаты, бораты и т.д.), неорганических стекол на их 
основе, керамик, покрытий, связующих и т.д. [2, 6], т.е. впервые удалось доказать единство природы органических и неорганических 
полимеров. 
Затем металлы заняли свое достойное место, фактически вытеснив древесину и другие неметаллические материалы из ряда областей их традиционного использования, особенно в машиностроении, 
изготовлении инструментов и т.д. [1, 2].   
Однако требования к набору необходимых сегодня свойств, 
предъявляемых современной промышленностью к материалам, постоянно растут. Причем по ряду этих физико-химических свойств 
металлы уже практически достигли своего потолка, а некоторых невозможно достичь в принципе (например, высокоэластичность, соответствующая жаростойкость или теплоизоляционные свойства для 
повышения энергосбережения [7], коррозионная стойкость, способность материала к длительной эксплуатации при воздействии механических нагрузок и температур выше 1500 °С, сверхпроводимость 
и т.д.). Поэтому, когда в 1909 г. С.В. Лебедев синтезировал из бутадиена полимер (аналог натурального каучука), а затем Л. Бакеланд 
на основе фенола и формальдегида получил синтетиче 
ский органический (углеродный) материал — пластмассу (бакелит), материаловедение в качестве дополнительного объекта исследования и практического применения получило новый тип полимерного материала, 
называемого синтетическим. Это дало возможность научной общественности заговорить о конце монополии «железного века» и его 
переходе в век полимерных материалов (полимерное материаловедение). В начале XXI в. мировое производство органических (углеродных) полимерных материалов достигло 200 млн т в год.
Особенно если дополнительно учесть материалы на основе элементоорганических и неорганических (или безуглеродных) полимеров, построенных на основе оксидов (т.е. полинеорганоэлементооксановых молекул со связями Э–О, где Э — Si, Al, Р и т.д. в основной 
цепи), нитридов (Э–N), полифосфазеновых (P–N) и других неорганических макромолекул. Их производство в конце XX в. приблизительно в 100 раз превышало производство органических (углеродных) полимерных материалов [2, 6].
При этом динамика роста производства органических (углеродных) полимерных материалов характеризуется тем, что практически 
каждое десятилетие в течение последних 30 лет имеет место удвоение 
объема их выпуска.
Кроме того, к концу XX в. в материаловедении отмечается качественно новый взгляд на структуру (переход от оценки природы многих оксидов с ионной к ковалентно-молекулярной), свойства и технологию древнейшего материала — керамики и стекла. Поэтому, 
6

по мнению академиков РАН В.А. Легасова, Ю.Д. Третьякова и других 
ученых, сейчас наступает эра не только полимерных материалов, 
и новой высокотехнологичной керамики. Основанием для подобного утверждения служат данные, свидетельствующие о том, что при 
сегодняшнем мировом производстве стали порядка 1 млрд т в год 
запасы железных руд истощаются все быстрее. Керамика же имеет 
практически неисчерпаемую сырьевую базу (литосфера Земли) для 
получения различных видов разновидностей материалов на ее основе. 
Учитывая же уникальность ее свойств (от жаро- и износостойких 
до сверхтвердых и эластичных, электро- и сверхпроводящих), меньшую энергоемкость, относительную экологичность ее производства, 
а также широту областей и отраслей применения трудно не согласиться с выводом о перспективности развития современного керамического материаловедения.
Думается, что наиболее разумной позицией по поводу продолжающихся попыток провозглашения того или иного из перечисленных 
материалов в качестве главного в настоящий исторический период 
следует считать признание их равной значимости сегодня в материаловедении в целом. Это утверждение сегодня имеет серьезную 
опору, так как каждый из них (металл, полимер, керамика, стекло 
и т.д.) характеризуется определенными свойствами, которые могут 
рассматриваться и как преимущество и как недостаток — в зависимости от условий эксплуатации изделия или конструкции на практике. Поэтому каждый из них имеет традиционные области применения (занимая соответствующие материаловедческие «ниши»). 
При этом особое значение приобретает развитие искусства конструирования структуры материалов с учетом ее многоуровневой организации, так как создание принципиально новых материалов с комплексом необходимых сегодня свойств при сохранении элементного 
состава и технологий их производства возможно лишь при управлении строением не только макро- и мезоуровней, а прежде всего 
нано-, молекулярным (в полимерах) и непосредственно базовым 
электронно-ядерным — химическим.
Таким образом, современные тенденции развития материаловедения характеризуются прежде всего накоплением значительного 
объема эмпирической количественной информации о структуре 
и свойствах как традиционных металлических материалов, так и неметаллических, полученных наукой и промышленностью. Прежде 
всего за счет органических и неорганических полимерных материалов, керамик и композиционных материалов на их основе. Соответственно возникает первая проблема в традиционном материаловедении: ограниченная возможность качественного изложения всего 
этого количества информации в рамках учебных часов, отведенных 
на материаловедческие дисциплины ГОС Министерства образо7

вания и науки РФ. Назовем ее проблемой противоречия между количеством накопленной эмпирической информации в материаловедении и низким качеством ее системного теоретического обобщения 
и изложения.
Второй проблемой и особенностью, характеризующей сегодняшний уровень развития материаловедения, является традиционное 
признание факта, что теоретическую основу этой науки составляют 
соответствующие разделы физики (физика твердого тела) и химии, 
хотя при этом до сих пор утверждается, что «наука о материалах развивается в основном экспериментальным путем». То есть общепризнанные теоретические основы материаловедения как единой науки 
о металлах и неметаллах, раскрывающие ее отличия от других наук, 
пока не сформулированы.
Наличие этой проблемы подтверждается и предложением 
Ю.Д. Третьякова, И.В. Архангельского и В.В. Ключарева введением в материаловедение классических университетов качественно 
нового термина «фундаментальное материаловедение», в следующей 
формулировке: «это система знаний, которая учитывает сложную 
многоуровневую природу материалов, как неоднородных целостностей» 
(РХЖ. 2003. Т
. 17. № 6. С. 101). Прогрессивность этого определения 
заключается в том, что если в химии свойства химических веществ 
определяются, прежде всего, одним — химическим (в виде индивидуальных молекулярных и немолекулярных химических соединений 
элементов) уровнем структурной организации, то в материаловедении, в подавляющем числе случаев, необходимо учитывать многоуровневую (химическую, физическую надмолекулярную, фазовую 
и т.д.) структуру материала. 
Однако приведенное выше определение не отвечает на вопрос 
о фундаментальных критериях, определяющих единство материальной природы металлов и неметаллов, а также о причинах разницы 
в их структуре и свойствах.
В результате расширения номенклатуры используемых сегодня 
на практике материалов и фактически параллельного независимого 
развития металловедения, полимерного и керамического материаловедений, не объединенных единой теорией и методологией проектирования структуры и свойств материалов, возникла проблема необходимости поиска выхода из этой ситуации [1–8]. Фактически это 
и привело к тому, что к середине XX в. назрела необходимость создания новой единой науки, называемой материаловедением, объединяющей и раскрывающей специфику основных фундаментальных 
разделов этой дисциплины и изучающей различные материалы 
с единых научных позиций. Однако решение возникших проблем 
на практике оказалось непростым [1, 8]. Формально данная проблема была решена очень просто. Как отмечает Андриевский, тер8

мины «металл, металловедение, металлургия» за рубежом, в частности в Великобритании, где особенно сильны традиции физического 
материаловедения, практически исчезли из наименования многих 
кафедр, институтов, журналов [8]. Они уступили место более общим 
понятиям — материал, материаловедение, технология материалов [1, 8]. Однако на практике главам по неметаллическим органическим и неорганическим материалам в учебниках уделили лишь 
небольшие описательные разделы, фактически не связанные между 
собой и металловедением единым научным фундаментом. Таким образом, вновь образованная дисциплина «материаловедение» до последнего времени чаще всего представляет «механическую смесь» 
отдельных разделов металлического, полимерного, керамического 
и других разновидностей материаловедения, с преобладанием металловедения. При этом накопленное количество эмпирической экспериментальной информации о разных материалах не перешло в новое 
фундаментальное качество, т.е. в ней пока отсутствовали два главных 
признака зрелости любой естественной науки: единая теория 
строения металлических и неметаллических материалов и система, 
объединяющей их базовые разновидности (подобно периодической 
системе атомов Д.И. Менделеева) в единое целое, позволяющие на 
системной основе прогнозировать структуру и свойства материалов. 
Кроме того, разница в соотношении доли металлов и полимеров 
в мировом производстве материалов к началу XXI в. достигла значительной величины (металлы 3% по объему и 13% по массе, полимеры 
~90%) [9], что еще больше стимулирует необходимость разработки 
новых универсальных и системных подходов к характеристике структуры и свойств различных материалов.  
Теоретические основы строения различных органических и неорганических веществ и материалов на их основе закладывались 
в разных химических и физических дисциплинах, что и способствовало отсутствию системных попыток по созданию единой теории их 
строения и моделей описания типов химических связей элементов 
их составляющих. Например, в 1810 г. Берцелиус создает электрохимическую теорию, что заложило основы для возникновения в 1881 г. 
в работах Г. Гельмгольца теории ионной связи, развитой далее в трудах Г. Льюиса, В. Косселя и др. [10–12]. В 1913 г. Г. Льюис ввел понятие «металлическая связь» [10, 13]. Однако заметного развития 
теория металлической связи в рамках традиционных химических 
подходов не получила [10–119]. Это явилось следствием определенной оторванности изучающих ее исследователей в металловедении 
(в рамках физики твердого тела и металлургии) от теорий классической органической, неорганической и общей химии. Отметим, что 
металловедение и металлургия традиционно, даже начиная с окончательного принятия в 1860 г. «атомно-молекулярного учения», при9

знающего существования двух фундаментально отличающихся друг 
от друга уровней вещества (физического и химического) и создания 
в 1861 г. А.М. Бутлеровым начал теории химического строения вещества, оставалась вне химической науки [2, 8, 18]. Решение этой 
проблемы начато авторами настоящего учебника в рамках единой 
модели химической связи в металлах и неметаллах [2, 10, 15, 18–20]. 
Сейчас стало очевидным, что дифференцированная опора на физику 
твердого тела или физическое материаловедение в целом не может 
стать фундаментальной основой, объединяющей металлы и неметаллы в рамках единой общей дисциплины — материаловедения. 
Поэтому материаловедению сегодня необходима опора на современную материалистическую научную идеологию с поиском новых 
интегральных путей решения этих проблем.
При этом, решение  этих основных проблем традиционного материаловедения сегодня возможно только через расширение применения «фундаментализации» этой учебной дисциплины с использованием базисных инноваций, основу которых составляют новые 
фундаментальные научные достижения, позволяющие создавать 
перспективные системные обобщения и учебники следующих поколений. В том числе только на основе базисных научных инноваций 
возможно раскрытие единства и индивидуальности материаловедения, включая возможность разработки современной научной методологии прогнозирования структуры и свойств новых материалов. 
При этом под просто инновацией следует понимать продукты 
творческого труда, имеющие завершенный вид товара, готового к применению и распространению (например, создание колеса, самолета, 
персонального компьютера, наноструктурированных материалов 
и т.д.). Под базисными инновациями понимаются такие инновации, 
в основе которых лежат фундаментальные научные достижения, 
позволяющие создавать качественно новые системы и продукты 
(материалы, технологии, учебники и т.д.) следующих поколений. 
Ярким примером базисной научной инновации для своего времени 
может служить Периодическая система элементов Д.И. Менделеева, 
позволившая спрогнозировать наличие в природе и свойства атомов, ранее неизвестных ученым). Таким образом, именно базисные 
научные инновации и должны лежать и в основе современных учебников.
В частности, в данном учебнике будут использованы четыре базисные научные инновации. Основой для создания настоящего учебника послужил опыт авторов по чтению с 1978 г. в КХТИ лекций 
по ТНВ, химии и физике полимеров, безуглеродным полимерам и т.д. 
и с 2001 по 2023 г. в КГЭУ лекций по курсам «Материаловедение. 
ТКМ», «Электротехническое материаловедение», «История материаловедения», «Моделирование и инновации в материаловедении», 
10