Материаловедение

 
 
 
 
И. Е. Илларионов, Э. Л. Львова, И. А. Стрельников 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 

 
УДК 620.22 
ББК 30.3 
И44 
 
 
Рецензенты: 
канд. техн. наук, доцент (кафедра машиноведения ФГБОУ ВО «Чувашский 
государственный педагогический университет имени И. Я. Яковлева»)  
Филлипов В. А.; 
канд. техн. наук, доцент (кафедра транспортно-технологических машин  
ЧПИ (ф) ФГБОУ ВО «Московский государственный машиностроительный 
университет (МАМИ)») Борисов М. А. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Илларионов, И. Е.  
И44  
Материаловедение : учебное пособие / И. Е. Илларионов, 
Э. Л. Львова, И. А. Стрельников. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2024. – 248 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-1873-7 
 
Рассмотрены строение, свойства и области применения металлов и 
металлических сплавов, композиционных материалов и наноматериалов, 
а также неметаллических материалов.  
Для студентов очной и заочной форм обучения по направлениям 
15.03.01 «Машиностроение» и 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника». 
 
УДК 620.22 
ББК 30.3 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1873-7 
© Илларионов И. Е., Львова Э. Л., Стрельников И. А., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Материаловедение – наука о связях между составом, строением и свойствами материалов и закономерностях их изменений 
при внешних физико-механических воздействиях. От правильного выбора материала зависит долговечность, надежность и 
срок службы изделий. Необходимые механические и технологические свойства материалов достигаются термической обработкой, выбор которой зависит от материала и его дальнейшей эксплуатации. Проектирование конкурентоспособных изделий, организация их производства невозможны без достаточного уровня знаний в области материаловедения. 
Особенно интенсивно развивается металловедение в последние десятилетия. Это объясняется потребностью в новых 
материалах для исследования космоса, развития электроники, 
атомной энергетики, которые могут работать как при высоких 
температурах, так и при температурах, близких к абсолютному 
нулю. Современные компьютерные технологии используют материалы с особыми электрическими свойствами.  
Задачи материаловедения в настоящее время связаны с производством металлов и сплавов, а также других материалов с 
заданными свойствами. Решение таких задач достигается теоретическим знанием структуры и свойств материалов и умением 
приложить их к практическому применению. 
В учебном пособии, состоящем из 9 глав, рассматриваются 
строение, свойства и области применения металлов и металлических сплавов, композиционных материалов и наноматериалов 
для получения заготовок и деталей высокого качества.  
При изучении дисциплины решаются задачи приобретения 
знаний об оценке технических свойств материалов исходя из 
условий эксплуатации и изготовления изделий; формирования 
научно обоснованных представлений о возможностях рационального изменения технических свойств материала путем изменения его структуры; ознакомления со способами упрочнения 
материалов, обеспечивающими надежность изделий и инструментов. 
 
 
3 

1. СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ  
 
1.1. Атомно-кристаллическое строение металлов 
 
Материаловедение – это наука о взаимосвязи электронного 
строения, структуры материалов с их составом, физическими, 
химическими, технологическими и эксплуатационными свойствами. Все материалы по химической основе делятся на две 
основные группы – металлические и неметаллические. В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, 
металлы всегда занимали особое место. Причина этого – в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.  
Металлы, или вещества, находящиеся в металлическом состоянии, обладают электронным строением, характеризующимся наличием незаполненных подуровней в валентной зоне. Валентные электроны не связаны с определенными атомами, а 
принадлежат всему металлическому телу, образуя электронный 
газ, окружающий каркас из положительно заряженных ионов. 
Металлическая связь между атомами ненаправленная. Каждый 
атом стремится окружить себя как можно большим числом соседних атомов, следствием чего является высокая компактность 
металлов.  
Электроны, образующие электронный газ, называют электронами проводимости, поскольку они легко перемещаются во 
внешнем электрическом поле, создавая электрический ток. 
Недостроенность валентных энергетических зон металлов определяет их высокую электропроводность, теплопроводность, металлический блеск и др. Все металлы имеют положительный 
температурный коэффициент электрического сопротивления. 
Отсутствие сильных направленных связей между атомами, характерных для ионного и ковалентного типов связи, определяет 
пластичность металлов.  
По ряду характерных признаков металлы делят на две группы: черные и цветные. К черным относят железо и его сплавы 
(стали, чугуны). Остальные металлы и сплавы на их основе – 
цветные. 
4 

Нередко к металлам железной группы относят Ni, Co и Мn. 
Металлы со значением температуры плавления выше  
1800 °С называют тугоплавкими. К ним принадлежат Ti, Zr, Cr, 
V, Nb, Mo, W и др. Металлы с низким значением температуры 
плавления (Hg, Sn, Bi, Cd, Pb, Zn, Sb и др.) относят к легкоплавким. 
К легким относятся металлы с низкой плотностью. К ним 
принадлежат нашедшие широкое техническое применение Mg, 
Be, Al, Ti. 
Металлы (Ag, Аu, Os, Ir, Pt, Rh, Pd и др.) составляют группу 
благородных. Они химически инертны. К благородным металлам часто относят медь, обладающую химической стойкостью в 
сухой атмосфере. 
К редкоземельным металлам (РЗМ) относят металлы группы лантана – лантаноиды (Се, Pr, Nd и др.) и сходные с ними Y 
и Sc. 
Группу урановых металлов составляют используемые в 
атомной технике актиноиды (Th, Pa, U и др.). 
К группе щелочно-земельных металлов относят Li, Na, К  
и др. Их используют в качестве теплоносителей в ядерных реакторах. 
Ряд металлов (Fe, Ni, Co, Gd) в связи с особенностями их 
электронного строения обладает ферромагнетизмом – способностью сильно намагничиваться во внешнем магнитном поле. Основные свойства ферромагнетиков определяются доменной 
структурой их кристаллов. Домен – это область кристалла размером 10Ǧ4–10Ǧ6 м, которая при отсутствии внешнего магнитного поля спонтанно (самопроизвольно) намагничена до насыщения. Магнитные моменты отдельных доменов направлены различно, поэтому полный магнитный момент ферромагнетика равен нулю. 
Свойства металлов разнообразны. Ртуть замерзает при температуре – 38,8 °С; вольфрам выдерживает рабочую температуру до 2000 °С; литий, калий, натрий легче воды; иридий и осмий 
в 42 раза тяжелее лития. Вместе с тем металлы имеют общие 
характерные свойства: высокую пластичность, высокие тепло- и 
электропроводность, положительный температурный коэффициент электрического сопротивления, хорошую отражательную 
5 

способность, термоэлектронную эмиссию (способность к испусканию электронов при нагреве), кристаллическое строение. 
Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, 
представляют собой кристаллические вещества, т. е. укладка 
атомов в них характеризуется закономерным расположением в 
пространстве, т. е. порядком – периодичностью как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решетка (рис. 1.1). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рис. 1.1. Схема кристаллической решетки 
 
Кристаллическая решетка – это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело. 
Элементарная ячейка – элемент объема из минимального 
числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл. Она характеризует особенности строения кристалла. 
Основными параметрами кристалла являются: 
– размеры ребер элементарной ячейки a, b, c – периоды 
решетки – расстояния между центрами ближайших атомов. Период решетки выражается в нанометрах (1 нм = 10–9 м). Периоды решетки для большинства металлов находятся в пределах 
0,3–0,7 нм, размеры элементарных ячеек 0,2–50,3 нм; 
– углы между осями (Į, ȕ, Ȥ); 
6 

– координационное число (К) указывает на число атомов, 
расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке; 
– базис решетки, число атомов, приходящихся на одну 
элементарную ячейку решетки; 
– плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – 
объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как 
жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого 
атомами, к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической 
решетки – 0,74). 
Классификация возможных видов кристаллических решеток 
была проведена французским ученым О. Браве. 
Всего для кристаллических тел существует четырнадцать 
видов решеток, разбитых на четыре типа: 
– примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами 
элементарных ячеек; 
– базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек 
и два места в противоположных гранях; 
– объемно-центрированный – атомы занимают вершины 
ячеек и ее центр; 
– гранецентрированный – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней. 
Наиболее часто металлы имеют кристаллические решетки 
следующих типов: 
1. Объемно-центрированная кубическая (ОЦК) (рис. 1.2, а), 
атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, 
FeĮ). 
2. Гранецентрированный куб (ГЦК) (рис. 1.2, б), атомы 
располагаются в вершинах куба и по центру каждой из шести 
граней (Ag, Au, FeȖ,, Cu, Co, Ni и др.). 
3. Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник: 
– простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по 
центру двух оснований (углерод в виде графита); 
– плотноупакованная (ГПУ) – имеется три дополнительных атома в средней плоскости (Zn, Mg, Ti). 
 
7 

 
         а                                  б                                            в 
 
Рис. 1.2. Основные типы кристаллических решеток: 
а – объемно-центрированная кубическая;  
б – гранецентрированная кубическая; в – гексагональная  
плотноупакованная 
 
1.2. Понятие об изотропии и анизотропии 
 
Свойства тела зависят от природы атомов, из которых оно 
состоит, и от силы взаимодействия между этими атомами. Силы 
взаимодействия между атомами в значительной степени определяются расстояниями между ними. В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве расстояния между атомами в различных направлениях равны, следовательно, 
свойства будут одинаковые, т. е. аморфные тела изотропны. 
В кристаллических телах атомы правильно располагаются в 
пространстве, причем по разным направлениям расстояния 
между атомами неодинаковы, что предопределяет существенные различия в силах взаимодействия между ними и, в конечном счете, разные свойства. Различие свойств в кристалле в зависимости от направления испытания называется анизотропией. 
Для понимания явления анизотропии необходимо выделить 
кристаллографические 
плоскости 
и 
кристаллографические 
направления в кристалле. 
Анизотропия характерна как для одиночных кристаллов, так 
и для монокристаллов. 
8 

В поликристаллических телах явление анизотропии наблюдается в пределах отдельных зерен. Так как ориентация кристаллической решетки в различных зернах различна, то в целом 
в куске свойства материала усредняются. Поэтому реальные металлы являются изотропными, т. е. телами примерно с одинаковыми свойствами по всем направлениям. Поскольку их изотропность является не истинной, а усредненной, то их принято 
называть квазиизотропами (кажущаяся независимость свойств 
от направления испытания). Если каким-либо способом, например давлением, сориентировать кристаллические решетки в зернах одинаково (создать текстуру деформации), то такое поликристаллическое тело станет анизотропным. Свойства деформированного металла вдоль и поперек направления главной деформации различаются. Анизотропия приводит к дефектам металла (расслоению, волнистости листа), поэтому ее необходимо 
учитывать в технологии получения деталей. 
Плоскость, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографической плоскостью [3], [6], [8]. 
Прямая, проходящая через узлы кристаллической решетки, 
называется кристаллографическим направлением. 
Для обозначения кристаллографических плоскостей и 
направлений пользуются индексами Миллера. Чтобы установить 
индексы Миллера, элементарную ячейку вписывают в пространственную систему координат (оси X, Y, Z – кристаллографические оси, рис. 1.3). За единицу индекса принимается период решетки. 
Для определения индексов кристаллографической плоскости необходимо: 
– установить координаты точек пересечения плоскости с 
осями координат в единицах периода решетки; 
– взять обратные значения этих величин; 
– привести их к наименьшему целому кратному каждому из 
полученных чисел. 
Полученные простые целые числа, не имеющие общего 
множителя, являются индексами Миллера для плоскости, указываются в круглых скобках (см. рис. 1.3, а). 
 
 
9 

 
                     а                                                       б 
 
Рис. 1.3. Примеры обозначения кристаллографических  
плоскостей (а) и кристаллографических (б) направлений 
 
Индекс по оси показывает, на сколько частей плоскость делит осевую единицу по данной оси. Плоскости, параллельные 
оси, имеют по ней индекс 0 (110). 
Ориентация прямой определяется координатами двух точек. 
Для определения индексов кристаллографического направления 
необходимо: 
– одну точку направления совместить с началом координат; 
– установить координаты любой другой точки, лежащей на 
прямой, в единицах периода решетки; 
–  привести отношение этих координат к отношению трех 
наименьших целых чисел. 
Индексы кристаллографических направлений указываются 
в квадратных скобках: [111]. Если направление имеет отрицательные координаты, то над соответствующим индексом ставится знак минус. 
 
1.3. Аллотропия или полиморфные превращения 
 
Некоторые металлы при разных значениях температуры могут иметь различную кристаллическую решетку. 
10