Материаловедение

О. В. Пасютина
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 
Допущено Министерством образования 
Республики Беларусь в качестве учебного пособия 
для учащихся учреждений образования, реализующих 
образовательные программы профессиональнотехнического образования по группе специальностей 
«Механика и металлообработка» и специальности 
«Эксплуатация, ремонт и обслуживание автомобилей»
Минск 
РИПО
2023 

УДК 620.22(075.32)
ББК 30.3я722
П19
А в т о р :
преподаватель общетехнических дисциплин высшей категории 
УО «Минский государственный колледж 
технологий машиностроения» О. В. Пасютина.
Р е ц е н з е н т ы :
цикловая комиссия общепрофессиональных учебных предметов 
филиала «Колледж современных технологий в машиностроении 
и автосервисе» УО РИПО (И. К. Каратай);
доцент кафедры «Материаловедение в машиностроении» 
Белорусского национального технического университета 
кандидат технических наук, доцент В. Г. Дашкевич.
Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой 
ее части не может быть осуществлено без разрешения издательства.
Выпуск издания осуществлен при финансовой поддержке Министерства образования Республики Беларусь.
Пасютина, О. В.
П19
Материаловедение : учеб. пособие / О. В. Пасютина. – Минск : 
РИПО, 2023. 
– 264… с., [6] л. ил. : ил.
ISBN 978-985-895-140-5.
В учебном пособии кратко изложены общие сведения о строении, свойствах и методах испытания металлов и сплавов. Уделено внимание железоуглеродистым сплавам, цветным металлам и их сплавам, твердым сплавам 
и неметаллическим материалам, видам термической обработки металлов.
Предназначено для учащихся учреждений профессионально-технического образования по группе специальностей «Механика и металлообработка» и специальности «Эксплуатация, ремонт и обслуживание автомобилей». 
Будет полезно преподавателям для организации лабораторно-практических 
работ.
УДК 620.22(075.32)
ББК 30.3я722
ISBN 978-985-895-140-5	
© Пасютина О. В., 2023
© Оформление. Республиканский институт
 профессионального образования, 2023

ПРЕДИСЛОВИЕ
В учебном пособии рассматриваются общие сведения о строении, свойствах и методах испытания металлов и сплавов; железоуглеродистые сплавы и диаграммы их состояния, цветные 
металлы и их сплавы, твердые сплавы и неметаллические материалы. Приведены виды термической, химико-термической и 
термомеханической обработки материалов, в том числе современный вид термообработки на оборудовании Ipsen, используемом на моторном заводе г. Минска. Рассмотрены прогрессивные 
материалы в машиностроении; изложен теоретический материал 
по специальной части предмета «Материаловедение». 
Предмет призван сформировать прочные знания основ материаловедения, принципов выбора материалов для конкретного 
изделия. Материаловедение тесно связано с машиностроением, 
металлургией, химией, физикой, географией, историей. 
В приложении 1 приведена краткая биографическая справка 
и открытия ученых, которые внесли значительный вклад в развитие черной металлургии: Д.К. Чернова, П.П. Аносова, Пьера 
Мартена, Юхана Бринелля, Хью М. Роквелла, Альфреда Ледебура, Вильяма Рентгена, Пьера и Марии Кюри, Н.С. Курнакова, 
М.В. Ломоносова и др.
В учебное пособие включены 4 лабораторно-практические 
работы (ЛПР) и требования к их проведению (прил. 2). Подробно 
рассмотрены вопросы по расшифровке сталей и чугунов, приведена обучающая программа по чтению марок сталей (вклейка). 
3

ВВЕДЕНИЕ
Материалы – это исходные вещества для производства различной продукции. 
Материаловедение – наука, изучающая зависимость между 
составом, строением и свойствами металлов и сплавов и закономерности их изменения под воздействием внешних факторов: 
тепловых, химических, механических, электромагнитных и радиоактивных.
Курс материаловедения состоит из двух частей: I – металлические материалы, II – неметаллические материалы.
Основными конструкционными материалами являются металлы, поэтому их изучению отводится большая часть курса – 
металловедение.
Металловедение – это наука о связи электронного строения, 
структуры металлов и сплавов с их составом, физическими, химическими, технологическими и другими свойствами.
Машиностроение – материальная основа технического перевооружения всех отраслей.
Металловедение интенсивно развивается в последние десятилетия. Это объясняется потребностью в новых материалах 
для исследования космоса, развития электроники, атомной 
энергетики.
Задача металловедения – создание сплавов с заранее рассчитанными свойствами применительно к заданным параметрам и 
условиям работы на основе данных квантовой физики, физики 
твердого тела, физикохимии металлов и накопленных экспериментальных закономерностей.
Большое внимание уделяется изучению металлов в экстремальных условиях (при очень низких и очень высоких температурах и давлениях).
До настоящего времени основной материальной базой машиностроения служила черная металлургия, производящая стали и 
чугун. Их недостатки – большая плотность и низкая коррозионная стойкость.

Введение
В настоящее время широко используются металлические 
сплавы на базе титана, алюминия, магния. Эти легкие и прочные сплавы позволяют в 2–3 раза облегчить станки и машины, в 
10 раз уменьшить расходы на ремонт.
Важное значение имеет использование взамен традиционных 
(металлических) материалов новых (неметаллических): пластмасс, керамики, изделий, изготавливаемых методом порошковой 
металлургии, особенно композиционных материалов, что экономит дефицитные металлы, снижает затраты энергии на их производство, уменьшает массу изделий.

РАЗДЕЛ I. ОБЩАЯ ЧАСТЬ
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ, СВОЙСТВАХ 
И МЕТОДАХ ИСПЫТАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
1.1. Понятие о металлах и неметаллах, сплавах. 
Классификация металлических материалов
Все химические элементы делятся на металлы и неметаллы.
Характерные свойства металлов: блеск, непрозрачность, ковкость, высокая тепло- и электропроводность, увеличение электросопротивления с повышением температуры. Распространенные в природе металлы: алюминий, железо, кальций, натрий, 
калий, магний, титан.
Характерные свойства неметаллов: хрупкость, отсутствие 
металлического блеска, низкие тепло- и электропроводность, 
уменьшение электросопротивления с повышением температуры. 
В промышленности из неметаллов используется кислород, углерод, водород и др.
Простые металлы состоят из одного основного элемента.
Сплав – это сложное вещество, состоящее из двух или более 
компонентов, полученное сплавлением, спеканием или электролизом. Сплав, приготовленный из металлов или имеющий металлическую основу и обладающий металлическими свойствами, 
называется металлическим сплавом. Металлические сплавы обладают более высокими механическими свойствами по сравнению с чистыми металлами. 
Металлам присущи характерные физические и химические 
свойства, отличающие их от неметаллов, например теплопроводность, электропроводность, вязкость, способность к пластической деформации.
Физические и химические свойства металлов и сплавов зависят от их структуры и внутреннего строения.
Из всех известных химических элементов более 80 относятся к металлам (железо, медь, алюминий и др.), часть элементов 
6

1.1. Понятие о металлах и неметаллах, сплавах 
(кремний, германий, теллур, селен) занимает промежуточное положение между металлами и неметаллами.
Характерные физические и химические свойства металлов, 
отличающие их от других природных элементов, определяются 
строением атомов.
Атом – положительно заряженное ядро, окруженное облаком отрицательно заряженных электронов, которые вращаются 
вокруг ядра по определенным орбитам.
Внешние электроны атома слабее связаны с ядром, чем внутренние, и определяют многие его свойства.
Атомы, отдавшие наружные электроны, превращаются в положительно заряженные ионы, которые являются активными 
восстановителями и вступают во взаимодействие с окислителями. Металлы при этом окисляются.
Атомы, образующие твердое тело, находятся в постоянном 
взаимодействии между собой. Они совершают непрерывные колебания, приближаясь или удаляясь от соседей.
 Самой известной системой классификации химических 
элементов является таблица Д.И. Менделеева. В машиностроении пользуются классификацией по А.П. Гуляеву, согласно которой все металлы условно поделены на черные и цветные. 
Черные металлы обычно имеют темно-серый цвет, большую 
плотность (кроме щелочных), высокую температуру плавления, 
относительно высокую твердость. Наиболее типичными черными металлами являются железо и его сплавы (сталь, чугун).
К черным металлам относят:
– железные: железо, кобальт, никель, марганец;
– тугоплавкие (имеют температуру плавления выше, чем у 
железа): титан, ванадий, хром, цирконий, ниобий, молибден, 
вольфрам, технеций, гафний, рений;
– урановые (актиноиды): торий, актиний, уран, нептуний, плутоний и др. (89–103 элементы периодической системы 
Д.И. Менделеева);
– редкоземельные (57–71 элементы периодической системы 
Д.И. Менделеева): лантан, церий, неодим и др.;
– щелочноземельные: литий, натрий, кальций, калий, рубидий, стронций, цезий, барий, родий, скандий.
Цветные металлы имеют красную, желтую, белую окраску. 
Они обладают большой пластичностью, малой твердостью, низкой температурой плавления. 
7

1. Основные сведения о строении, свойствах и методах испытания металлов и сплавов
К цветным металлам относят:
– легкие: бериллий, магний, алюминий;
– благородные: рутений, радий, палладий, осмий, иридий, 
платина, золото, серебро и полублагородная медь;
– легкоплавкие: цинк, кадмий, ртуть, галлий, индий, талий, 
германий, олово, свинец, мышьяк, сурьма, висмут.
К металлам и сплавам относят также вещества, получаемые 
порошковой металлургией.
Цветные металлы и их сплавы имеют ценные свойства. Например, медь и алюминий обладают высокой электро- и теплопроводностью. Сплавы магния, алюминия и титана широко применяются в машиностроении.
Легкоплавкие металлы  – это металлы, способные менять 
агрегатное состояние при температурах ниже 1539 °С. 
Тугоплавкие металлы и сплавы – основа машино- и кораблестроения, выплавки и литья многих изделий, качественного 
рабочего инструмента. К ним относят золото, бериллий, кобальт, 
хром, медь, железо, марганец, молибден, никель, платину, тантал, титан, ванадий, вольфрам.
Конструкционные материалы делятся на металлические, неметаллические и композиционные (рис. 1.1).
Конструкционные материалы
Металлические
Неметаллические
Композиционные
Стеклопластики, 
карбоволокниты 
и др.
– пластмассы: полистирол, фторопласты, полиамиды, 
капрон, винипласт, 
– чугун;
– сталь;
– цветные металлы и их сплавы: 
медь, бронза, латунь, алюминий, дюралюмин, силумин, 
магний и его сплавы, титан 
и его сплавы;
– антифрикционные сплавы;
– металлокерамические 
сплавы 
плексиглас, волокна 
и др.;
– резина;
– древесина;
– стекло;
– керамика
Рис. 1.1. Классификация конструкционных материалов
Композиционные материалы представляют собой объемное 
сочетание химически разнородных компонентов. В этих материалах имеется основа (матрица), в которой распределены упрочнители (волокна, проволоки). Монолитное объединение основы  и 
упрочнителей позволяет эффективно использовать их свойства.
8

1.2. Типы кристаллических решеток. Понятие о кристаллизации
1.2. Типы кристаллических решеток. 
Понятие о кристаллизации
Все твердые вещества по взаимному расположению атомов 
делятся на аморфные и кристаллические. В аморфных веществах 
атомы в пространстве расположены хаотично. К ним относят 
смолу, канифоль, стекло и др. 
Кристаллические – это твердые вещества, в которых атомы 
располагаются в пространстве в строгом порядке, образуя кристаллическую решетку. Кристаллическое строение имеют все металлы, а также алмаз, сахар, соль и др. 
Кристаллическая решетка представляет собой наименьший объем кристалла, дающий полное представление об атомной структуре металла, и носит название элементарной ячейки. 
Расстояние между центрами ближайших атомов в элементарной 
ячейке называется параметром решетки (а), или ее периодом, и 
измеряется в нм (нм = 10–9 м). Типы кристаллических решеток у 
различных металлов различны. 
Основные типы атомно-кристаллических решеток: 
1. ОЦК – объемно-центрированная 
кубическая, в которой атомы располагаются по вершинам элементарной ячейки 
и в центре ее граней. Количество атомов 
в элементарной ячейке – 9 (вольфрам, молибден, ванадий, α-железо, калий, натрий) 
(рис. 1.2). 
 2. ГЦК – гранецентрированная 
Рис. 1.2. ОЦК решетка
а
кубическая, в которой атомы расположены в узлах элементарной ячейки и в 
центрах ее граней. Количество атомов в 
элементарной ячейке – 14 (никель, медь, 
γ-железо, золото, серебро, кальций, платина) (рис. 1.3). 
3. ГПУ – гексагональная плотноупакованная атомами. Атомы расположены 
слоями. Количество атомов в элементарной 
ячейке – 17 (магний, лантан, иттрий, кадмий, осмий, рутений, α-титан) (рис. 1.4).
Способность некоторых металлов переРис. 1.3. ГЦК решетка
страивать свою атомно-кристаллическую 
9

1. Основные сведения о строении, свойствах и методах испытания металлов и сплавов
а
решетку при изменении температуры называется полиморфизмом.
Полиморфизм распространен среди 
многих металлов и имеет важное значение 
для техники, так как оказывает влияние 
на поведение металлов и сплавов при их 
термической обработке.
Наиболее ярко полиморфизм проявРис. 1.4. ГПУ решетка
ляется у железа, которое при нагреве два 
раза меняет свою кристаллическую структуру. Железо с ОЦК структурой, наблюдаемое при температуре до 911 °С, называют α-железом. В интервале температур от 911 до 1392 °С железо 
имеет ГЦК структуру. Такое железо обозначают γ-Fe (см. п. 2.2, 
рис. 2.2).
Примером полиморфизма у неметаллических материалов 
является наличие двух кристаллографических модификаций чистого углерода, известных как алмаз и графит. Оба материала 
являются идентичными по химическому составу и отличаются 
лишь кристаллической структурой. В результате свойства алмаза 
и графита оказываются существенно различными. Графит – это 
мягкий, хрупкий и непрозрачный материал, в то время как алмаз 
является одним из наиболее твердых минералов, встречающихся 
в природе, и обычно прозрачен.
Анизотропия – это различие свойств кристаллов в разных направлениях. Все металлы анизотропны. Изотропия  – это одинаковость физических свойств во всех направлениях. Изотропные металлы – это технологии монокристаллического литья. 
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 
результате, разные свойства. 
Переход металла из жидкого состояния в кристаллическое 
(твердое) называется кристаллизацией. Превращения, происходящие в процессе кристаллизации, играют большую роль, 
так как в значительной степени определяют свойства металла. 
10