Материаловедение и технология металлов

ДЛЯ 
СРЕДНЕГО 
ПРОФ ЕССИОНАЛЬНОГО 
ОБРАЗОВАНИЯ

Г.П. Ф етисов, Ф .А . Гариф уллин

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 
И ТЕХНОЛОГИЯ 
МЕТАЛЛОВ

Учебник

Допущено 
Министерством образования и науки 
Российской Федерации в качестве учебника 
для студентов учреждений среднего профессионального 
образования

Москва
ОНИКС

УДК 620 
ББК 30.3;34 
Ф45

Издано при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и 
массовым коммуникациям в рамках Федеральной целевой программы 
«Культура России»

Р е ц е н з е н т ы :  
заведующий кафедрой «Технология металлов* Московского 
энергетического института (ТУ) д-р техн. наук, профессор В.ММатютин\ 
заведующий кафедрой «Материаловедение и технология новых материалов* 
Нижегородского государственного технического университета 
д-р техн. наук, профессор Г.Н.Гаврилов

© Фетисов Г.П., Гарифуллин Ф.А., 2007 
© ООО «Издательство Оникс*, 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие.................................................................................■'...................... 12

Часть 1. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Раздел I. СТРУКТУРА МАТЕРИАЛОВ

Глава 1. Введение в науку о материалах.................................................. 14
1.1. Наука о материалах...........................................................................  14
1.2. Конструкционные материалы...........................................................  16

Глава 2. Кристаллическое строение твердых тел...................................  20
2.1. Кристаллы.............................................................................................  20
2.2. Типы связей......................................................................................... 21
2.3. Виды кристаллов 
.............................................................................. 23
2.4. Анизотропия кристаллов..................................................................  24
2.5. Характеристики кристаллических структур.................................. 26
2.6. Полиморфизм (аллотропия).............................................................. 29
2.7. Аморфные структуры......................................................................... 30
2.8. Структура неметаллических твердых т е л ..................................... 31
2.9. Прочность и структура материалов................................................ 33

Глава 3. Дефекты кристаллической решетки............................................ 34
3.1. Реальное строение металлических кристаллов .  ...................... 36
3.2. Точечные дефекты...................................................,.......................... 36
3.3. Линейные дефекты.............................................................................. 37
3.4. Поверхностные, или плоские, дефекты.......................................... 40
3.5. Объемные дефекты.............................................................................. 40
3.6. Влияние облучения 
на свойства металлов.................................. 41

Глава 4. Кристаллизация................................................................................ 42
4.1. Энергетические условия процесса кристаллизации.................... 42
4.2. Механизм процесса кристаллизации.............................................. 45
4.3. Форма кристаллических образований............................................ 48
4.4. Строение слитка..................................................................................  49

4.5. Вторичная кристаллизация.............................................................  51
4.6. Получение монокристаллов.............................................................  53

Глава 5. Строение сплавов.............................................................................  54
5.1. Определение сплава.................................................................. 
54
5.2. Механическая смесь......................................................................... 
55
5.3. Твердые растворы..........................................................................   . 
56
5.4. Химические соединения.................................................................. 
57
5.5. Промежуточные фазы....................................................................... 
58

Глава 6. Диаграммы состояния.................................................................. 
60
6.1. Определение диаграммы состояния...........................................  
60
6.2. Правило ф аз....................................................................................... 
61
6.3. Диаграмма состояния сплавов,
образующих неограниченные твердые растворы ..................... 
63
6.4. Диаграмма состояния сплавов,
образующих механические смеси чистых компонентов 
 
67
6.5. Диаграмма состояния сплавов для случая ограниченной 
растворимости компонентов в твердом состоянии..................  
69
6.6. Диаграмма состояния сплавов
для случая перитектического превращения................................ 
70
6.7. Диаграмма состояния сплавов для случая
образования химического соединения........................................   70
6.8. Диаграмма состояния трехкомпонентного сплава....................  
71
6.9. Зависимость между свойствами сплавов
и их диаграммами состояния 
....................................................  
72

Раздел II. ПЛАСТИЧН О СТЬ И П РО ЧН О С ТЬ МЕТАЛЛОВ

Глава 7. Физические основы пластичности и прочности металлов 
74
7.1. Общая характеристика механических свойств......................... 
74
7.2. Физическая природа деформации металлов.............................  
75
7.3. Пластическая деформация кристаллов....................................... 
78
7.4. Характеристики прочности и пластичности.............................. 
82
7.5. Твердость........................................................................................... 
86

Глава 8. Пластичное и хрупкое состояние металлов 
........................  
88
8.1. Разрушение металлов....................................................................... 
88
8.2. Факторы, влияющие на пластичное и хрупкое состояние . . .  
91
8.3. Усталость металлов......................................................................... 
95
8.4. Изнашивание металлов.................................................................. 
96
8.5. Остаточные напряжения.................................................................. 
99
8.6. Влияние нагрева на структуру и свойства 
холоднодеформированных металлов............................................. 101
8.7. Холодная и горячая деформация.................................................. 106

Раздел III. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СПЛАВОВ

Глава 9. Железоуглеродистые сплавы....................................................... 108
9.1. Введение ...........................................................................................  108
9.2. Компоненты и фазы в сплавах железа с углеродом 
...........  108
9.3. Диаграмма состояния «железо—цементит»................................ 112
9.4. Диаграмма состояния «железо—графит»..................................... 116
9.5. Влияние легирующих элементов
на равновесную структуру сталей.................................................  
118

Глава 10. Общие положения термической обработки  
................ 120
10.1. Температура и время..................................................................... 121
10.2. Классификация видов термообработки..................................... 122
10.3. Термообработка и диаграммы состояния 
.............................. 123
10.4. Основные виды термообработки стали..................................... 125

Глава 11. Технология термической обработки сталей 
..................... 128
11.1. Нагрев и охлаждение....................................................................  128
11.2. Отжиг и нормализация..................................................................  129
11.3. Дефекты отжига и нормализации.............................................. 135
11.4. Закалка.............................................................................................  137
11.5. Выбор температуры закалки.................. 
 
138
11.6. Закалочные среды...........................................................................  139
11.7. Закаливаемость и прокаливаемость стали................................ 141
11.8. Внутренние напряжения в закаленной стали.........................  142
11.9. Способы закалки.............................................................................  143
11.10. Дефекты, возникающие при закалке....................................... 145
11.11. Отлуск.............................................................................................  146
11.12. Старение......................................................................................... 148
11.13. Обработка холодом....................................................................... 150
11.14. Термомеханическая обработка (ТМО) стали......................... 152

Глава 12. Химико-термическая обработка стали..................................  155
12.1. Определение химико-термической обработки ....................... 155
12.2. Цементация....................................................................................... 158
12.3. Азотирование.................................................................................. 161
12.4. Нитроцементация (цианирование).............................................. 164
12.5. Борирование .................................................................................. 166
12.6. Диффузионная металлизация (насыщение металлами) 
. . .  166

Раздел IV. СТАЛИ И ЧУГУНЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Глава 13. Конструкционные стали.............................................................. 171
13.1. Общая классификация сталей ..................................................  171
13.2. Влияние углерода и постоянных примесей
на свойства сталей......................................................................... 174

13.3. Маркировка сталей........................................................................... 177
13.4. Конструкционные стали.................................................................. 180
13.5. Углеродистые конструкционные стали......................................  180
13.6. Углеродистые стали для фасонного л и тья...............................  184

Глава 14. Легированные конструкционные стали................................... 
186
14.1. Влияние легирующих элементов
на свойства конструкционных сталей......................................... 186
14.2. Улучшаемые легированные стали...............................................  191
14.3. Высокопрочные легированные стали........................................... 192
14.4. Рессорно-пружинные легированные стали.................................. 195
14.5. Конструкционные (строительные)
низколегированные стали...............................................................  197
14.6. Шарикоподшипниковые стали....................................................  198
14.7. Износостойкие стали......................................................................  199
14.8. Легированные стали для фасонного литья.............................. 200

Глава 15. Инструментальные стали и сплавы..................................... 
 
204
15.1. Углеродистые инструментальные стали.............................. 
 
 
204
15.2. Легированные инструментальные стали . . . .•......................... 206
15.3. Быстрорежущие стали .................................................................... 208
15.4. Твердые сплавы 
............................................................................. 211
15.5. Стали для измерительного инструмента.................................... 213
15.6. Штамповые стали............................................................................. 214

Глава 16. Конструкционные легированные стали и сплавы
с особыми свойствами.................................................................. 220
16.1. Коррозиестойкие стали.................................................................... 220
16.2. Кислотостойкие стали и сплавы .................................................. 225
16.3. Коррозиестойкие чугуны...............................................................  226
16.4. Жаропрочные стали........................................................................  227
16.5. Жаропрочные сплавы на основе никеля
и тугоплавких металлов.................................................................. 230
16.6. Жаростойкие стали........................................................................... 232

Глава 17. Стали и сплавы с особыми физическими свойствами. . . . 234
17.1. Магнитные стали и сплавы........................................................... 234
17.2. Стали и сплавы с высоким электрическим сопротивлением 
20
17.3. Сплавы с заданным значением коэффициента
теплового расширения.................................................................... 244
17.4. Сплавы с малым температурным коэффициентом
модуля упругости...........................................................................  246
17.5. Сплавы с особыми упругими свойствами................................ 248
17.6. Сплавы с эффектом памяти формы...........................................  250
17.7. Сплавы для криогенной техники................................................ 252

Глава 18. Ч угуны ...........................................................................................  256

18.1. Структура и свойства чугунов ..................................................  256
18.2. Влияние примесей......................................................................... 258
18.3. Серые чугуны..................................................................................  259
18.4. Антифрикционные чугуны...........................................................  263
18.5. Белый и отбеленные чугуны.................. 
 
 
 
264
18.6. Высокопрочные чугуны................................................................ 264
18.7. Ковкие чугуны.................. 
 
 
265
18.8. Легированные чугуны....................................................................  266
18.9. Термообработка чугунов................................................................ 269

Раздел V. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

Глава 19. Алюминий и его сплавы.............................................................. 273
19.1. Характеристика алюминия 
....................................................... 273
19.2. Классификация сплавов алюминия....................................• ■ • • 274
19.3. Термообработка алюминиевых сплавов..................................... 276
19.4. Деформируемые алюминиевые сплавы,
упрочняемые термообработкой..................................................... 279
19.5. Деформируемые алюминиевые сплавы,
не упрочняемые термообработкой.............................................. 282
19.6. Литейные алюминиевые сплавы ...............  
 
 
283
19.7. Спеченные алюминиевые сплавы................................................ 286
19.8. Алюминиевые подшипниковые сплавы..................................... 287

Глава 20. Сплавы на основе меди.............................................................. 288

20.1. Свойства меди 
....................................................................  288
20.2. Медные сплавы...............................................................  
 
291
20.3 Латуни................................................................................................ 291
20.4. Бронзы .............................................................................................  295
20.5. Медно-никелевые сплавы ...........................................................  300

Глава 21. Сплавы на основе титана...........................................................  303

21.1. Свойства титана............................. 
 
 
 
303
21.2. Промышленные титановые сплавы...........................................  305
21.3. Термическая обработка титановых сплавов 
............. 
 
309

Глава 22. Сплавы на основе магния......................................................... 310

22.1. Свойства магния.............................................................................  310
22.2. Общая характеристика и классификация
магниевых сплавов ....................................................................... 312
22.3. Промышленные магниевые сплавы...........................................  313

Глава 23. Сплавы на основе никеля, бериллия и свинца..................  319

23.1. Никель и его сплавы.................................................................... 319
23.2. Бериллий и его сплавы ................................................................ 325
23.3. Антифрикционные сплавы на свинцовой основе.................. 330

Раздел VI. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Глава 24. Композиционные материалы................................................ . 334

24.1. Определение композиционных материалов ...........................  334
24.2. Структура и свойства композиционных материалов.............. 335
24.3. Дисперсно-упрочнеиные композиционные материалы 
 
338
24.4. Композиты, армированные волокнами....................................... 340
24.5. Нанокомпозиты................................................................................ 343

Глава 25. Пластические массы 
................................................................ 348
25.1. Назначение, состав и классификация пластмасс..................... 348
25.2. Свойства пластмасс........................................................  
 
 
352
25.3. Классификация пластмасс...........................................................  359
25.4. Пластмассы, применяемые в промышленности ..................... 360

Глава 26. Р ези н ы ........................................................................................... 365
26.1. Основные свойства резины ......................................................... 365
26.2. Приготовление резиновых смесей ...........................................  368

Часть 2. ТЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛОВ

Раздел VII. ОСНОВЫ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Глава 27. Физическая природа и условия кристаллизации................ 372
27.1. Общие сведения.............................................................................  372
27.2. Развитие отечественного литейного производства................ 373
27.3. Физическая природа кристаллизации металлов....................  375
27.4. Литейные свойства......................................................................... 379

Глава 28. Литье в песчаные ф орм ы ......................................................... 385
28.1. Литейная технологическая оснастка 
....................................... 385
28.2. Формовочные смеси....................................................................... 395
28.3. Стержневые см еси......................................................................... 400
28.4. Специальные формовочные смеси.............................................  401

Глава 29. Специальные виды литья 
....................................................... 407
29.1. Литье по выплавляемым моделям.............................................  407
29.2. Литье в оболочковые формы 
.................................................. 412

29.3. Литье в металлические формы (кокили)..................................  414
29.4. Литье под давлением..................................................................... 417
29.5. Центробежное литье....................................................................... 420
29.6. Специальные способы литья....................................................... 422

Раздел VIII. ОБРАБОТКА М ЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Глава 30. Физико-механические основы обработки
металлов давлением..................................................................... 427
30.1. Сущность обработки металлов давлением .............................. 427
30.2. Прокатное производство................................................................ 435
30.3. Волочение ....................................................................................... 440
30.4. Прессование..................................................................................... 442

Глава 31. Получение машиностроительных заготовок.......................  445
31.1. Ковка..................................................................................................  445
31.2. Объемная штамповка..................................................................... 447

Глава 32. Листовая штамповка..................................................................  451
32.1. Листовая штамповка — определение.........................................  451
32.2. Разновидности листовой штамповки.........................................  451

Раздел IX. ОСНОВЫ  СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Глава 33. Общая характеристика сварочного производства.............. 458
33.1. Физические основы получения сварного соединения 
 
459
33.2. Свариваемость..................................................................................  464

Глава 34. Термические виды сварки ....................................................... 465
34.1. Ручная дуговая сварка ................................................................. 465
34.2. Понятие об электрической дуге и ее свойствах ....................  466
34.3. Электроды для ручной сварки.................................................... 471
34.4. Основные виды сварных соединений
и металлургические процессы при сварке .............................. 473
34.5. Оборудование для ручной электродуговой сварки .............. 477
34.6. Автоматическая сварка под флюсом.........................................  481
34.7. Электрошлаковая сварка.............................................................. 486
34.8. Электродуговая сварка в среде защитных газов ..................  487
34.9. Электронно-лучевая сварка......................................................... 491
34.10. Сварка лазерным лучом.............................................................. 494
34.11. Газовая сварка металлов.............................................................. 495
34.12. Специальные термические процессы
в сварочном производстве......................................................... 501

Глава 35. Сварка давлением с нагревом (термомеханический класс) 507
35.1. Электрическая контактная сварка. Сущность процесса . . . .  507
35.2. Стыковая сварка.............................................................................  508
35.3. Точечная сварка.............................................................................  512
35.4. Шовная, или роликовая, сварка................................................... 515
35.5. Сварка аккумулированной энергией......................................... 516
35.6. Радиочастотная сварка.................................................................. 519
35.7. Сварка трением...............................................................................  520
35.8. Диффузионная сварка в вакууме................................................ 521
35.9. Газопрессовая сварка....................................................................  523

Глава 36. Сварка давлением без нагрева................................................... 526
36.1. Холодная сварка.............................................................................  526
36.2. Ультразвуковая сварка.................................................................. 528
36.3. Сварка взрывом.............................................................................  530

Глава 37. Пайка металлов и сплавов......................................................... 532
37.1. Физическая сущность процесса пайки 
....................     532
37.2. Материалы для п ай ки .................................................................. 535
37.3. Способы пайки................................................................................ 537
37.4. Типы паяных соединений.............................................................  541
37.5. Контроль качества сварных и паяных соединений 
...........  542

Раздел X. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА 
ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Глава 38. Классификация, физико-механические
основы обработки металлов резанием ................................ 549
38.1. Сущность процесса......................... 
 
 
549
38.2. Инструментальные материалы....................................................  562
38.3. Выбор режима резани я................................................................ 565

Глава 39. Обработка заготовок на токарных станках.
Типы станков токарной группы .............................................  567
39.1. Общие сведения о токарных станках....................................... 567
39.2. Виды токарных резцов.................................................................. 573

Глава 40. Обработка заготовок на сверлильных, расточных,
строгальных, долбежных и протяжных станках .............. 576
40.1. Характеристика метода
обработки сверлением и растачиванием..................................  576
40.2. Виды режущего инструмента.
Элементы и геометрия спирального сверла...........................  577
40.3. Методы обработки строганием....................................................  581

40.4. Особенности обработки на долбежных станках..................... 584
40.5. Обработка на протяжных станках.............................................. 585

Глава 41. Обработка заготовок на фрезерных,
шлифовальных и отделочных станках ................................ 587
41.1. Обработка заготовок на фрезерных станках...........................  587
41.2.Типы фрезерных станков................................................................ 589
41.3. Виды фрез ....................................................................................... 591
41.4. Элементы и геометрия цилиндрической и торцевой фрез . . 593
41.5. Обработка заготовок на шлифовальных
и отделочных станках ..................................................................  595
41.6. Шлифовальные к р у ги ..................................................................  597
41.7. Типы шлифовальных станков..................................................... 598
41.8. Специальные методы отделки поверхностей .........................  600

Глава 42. Основы механизации и автоматизации
технологических процессов механической обработки . . . 604
42.1. Станки с программным управлением....................................... 604
42.2. Автоматические линии и комплексная автоматизация 
производства..................................................................................... 608

Глава 43. Основы технологии электроэрозионной обработки 
 
610
43.1. Электрофизические методы обработки..................................... 610
43.2. Электрохимические методы обработки..................................... 614
43.3. Ультразвуковой и лучевой методы обработки....................... 615

Предисловие

Материаловедение и технология материалов относятся к 
тем дисциплинам, которые формируют основу инженерной 
подготовки технического специалиста, являются показателями его технической образованности. Наличие необходимых 
материалов, технологических процессов позволяет претворить идею, замысел разработчика, конструктора в конкретное 
изделие — нужную для человека техническую продукцию. 
Повышение качества изделий, рост производительности труда, а в итоге — конкурентоспособности потребовали создания 
материалов с уникальными свойствами и новых технологических процессов их обработки. Особенно это заметно в авиационно-космической, электронной, радиотехнической, атомной промышленности. Поэтому справедливо утверждение, 
что производственный и экономический потенциал любой 
страны в значительной степени определяется состоянием ее 
материаловедческой и технологической базы, уровнем развития науки и техники. Если в далекие годы технологию могли рассматривать как простое ремесло, то сейчас материаловедение и технология представляют собой обширную, сложную область знаний, базирующуюся на многих смежных, и 
прежде всего фундаментальных, науках — физике, химии, 
математике.
Этот учебник позволит учащемуся войти подготовленным в интересный мир производства, обеспечит ему базу 
для изучения последующих дисциплин технологического 
цикла.
Раздел «Материаловедение» написан профессором Ф.А. Гарифуллиным, раздел «Технология металлов» — профессором 
Г.П. Фетисовым.
Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам — профессорам Г.Н. Гаврилову и В.М. Матюнину — 
за ценные предложения по улучшению содержания учебника.

Часть 1

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Раздел I

СТРУКТУРА МАТЕРИАЛОВ 

Глава 1

ВВЕДЕНИЕ В НАУКУ О МАТЕРИАЛАХ

1.1. Наука о материалах

Первые шаги на пути к реальному пониманию свойств 
материалов были сделаны с наступлением XIX в. Начало 
этому положила химия, затем физика. Теоретическая химия 
оказалась весьма полезной и при решении практических вопросов, способствовала появлению более эффективных методов обработки материалов. Так, известный физик Майкл 
Фарадей (1791 — 1867) использовал химический анализ при 
изучении свойств булатной стали. Затем знаменитый русский металлург Павел Петрович Аносов (1799—1851) при 
исследовании структуры булатной стали одним из первых 
(в 1831 г.) использовал микроскоп. Он увидел, что булатные 
узоры связаны со структурой стали и с ее механическими 
свойствами. Анализ структуры металлов и различных минералов с помощью оптического микроскопа в дальнейшем нашел широкое распространение в трудах английского геолога 
Генри Сорби (1826—1908).
Эти первые наблюдения изменений, происходящих с 
внутренней структурой металла, а также новые сведения о со

ставе вещества, полученные с помощью химии, существенно 
изменили представления о возможности проникновения в 
природу материалов.
В последней четверти XIX в. химия и физика уже играли ключевую роль в развитии многих сложившихся к тому 
времени отраслей, связанных с производством материалов. 
Здесь уместно отметить роль русского ученого Дмитрия 
Константиновича Чернова (1839—1921) в становлении науки о материалах. На заседании Российского технического 
общества в 1868 г. он сообщил об открытии критических 
точек сталей, впоследствии названных «точками Чернова». 
На основе глубокого научного анализа Д.К. Чернов объяснил удивительные свойства булатной стали. Его труды ускорили становление науки о материаловедении как точной 
науки.
В XX столетии химикам и физикам удалось сделать ряд 
фундаментальных открытий, на которые опираются все современные разработки новых материалов и технологические 
методы их получения и обработки.
Основной вклад науки в рассматриваемую область состоял 
в том, что ученым удалось установить взаимосвязь между 
внешне проявляющимися свойствами материалов и их внутренним строением. Как выяснилось, материалам свойственна определенная внутренняя архитектура, иными словами — иерархическая последовательность структурных уровней, что объясняло многообразие проявляемых материалами свойств. Это 
предполагало, что поведение того или иного материала можно 
предсказать заранее, если тщательно изучить его внутреннюю 
архитектуру.
Появление новых приборов и методов позволило глубже 
проникнуть в природу материалов. П.П. Аносов и Г.Сорби с 
помощью оптического микроскопа сумели разглядеть лишь 
микроструктуру стали. Со временем на смену оптическому 
пришел электронный микроскоп, позволивший увидеть элементы субструктуры, а затем — растровый электронный микроскоп, с помощью которого стало возможным получать информацию о пространственной структуре поверхности. Картину пространственного расположения атомов и молекул в 
кристалле можно получить методом дифракции рентгеновских лучей, а характерные особенности атомов того или иного материала — различными методами спектроскопии, основанными на возбуждении атомов исследуемого материала.
Раскрытие внутренней структуры материалов создало основу для понимания твердого состояния вещества вообще и 
конкретных материалов в частности. Объединение знаний, 
полученных теоретическим и опытным путем, позволило не 
только разработать более эффективные методы обработки 
природных материалов, но и создать огромное количество новых искусственных материалов, таких, как синтетические волокна и пластмассы; высоконапряженные и жаропрочные металлические сплавы; стеклянные волокна, используемые в качестве оптических волноводов; магниты, изготовленные из 
редкоземельных элементов; различные виды высоконапряженной керамики; композиты и полупроводники, составляющие основу современной микроэлектроники.
Эти результаты достигнуты наукой, сформировавшейся 
на основе интеграции различных дисциплин и получившей 
название материаловедение. Ее представители имеют дело с 
изучением взаимосвязей между структурой, свойствами и поведением материалов, а также зависимости этих взаимосвязей от методов обработки материалов.
Появление материалов с качественно новыми свойствами 
возможно благодаря развитию технологии их производства. 
Современные достижения теории позволяют предсказать существование новых структур и новых свойств, а используемая для анализа материалов аппаратура может оценить степень реализации этих предсказаний.

1.2. Конструкционные материалы

Конструкционными называются материалы, которые 
применяют для изготовления деталей машин, приборов и

строительных конструкций. Конструкционные материалы 
можно разделить на две обширные группы:
— металлические материалы;
— неметаллические материалы.
Металлические конструкционные материалы — это черные металлы, цветные металлы и сплавы.
Черные металлы имеют темно-серый цвет, большую 
плотность, высокую температуру плавления, относительно высокую твердость и во многих случаях обладают полиморфизмом. Наиболее типичными в этой группе являются железо, его сплавы — сталь, чугун, а также ферросплавы.
Техническое железо (с минимальным содержанием углерода и других примесей) производят в небольших количествах 
для нужд электротехники и др.
Ферросплавы, например ферросилиций (до 2,5 % С, 
9—13 % Si, основа — железо) и др., применяют при выплавке стали.
Сталь — основа современной техники; это обобщенное 
название очень большой группы железоуглеродистых сплавов 
(до 2,14 % С).
Чугун (известен еще до новой эры) — наиболее распространенный литейный сплав (до 6,67 % С). С XIII—XIV вв. чугун — основной исходный материал для выплавки стали.
Цветные (нежелезные) металлы — все остальные металлы и сплавы, кроме черных. В настоящее время используют около 65 цветных металлов и их сплавов. Они широко 
применяются в машино- и приборостроении, а в некоторых 
областях техники имеют особо важное значение.
Цветные металлы подразделяют на:
легкие металлы — бериллий, магний, алюминий, обладающие малой плотностью;
благородные металлы — серебро, золото, металлы платиновой группы; к ним может быть отнесена и «полублагород- 
ная» медь. Обладают высокой устойчивостью против коррозии;

легкоплавкие металлы — цинк, кадмий, ртуть, олово, свинец, висмут, сурьма и др.;
тугоплавкие металлы — металлы, температура плавления 
которых выше, чем железа (то есть выше 1539 °С). Гафний, 
рутений, осмий, рений — элементы весьма редкие и рассеянные в земной коре. Цирконий, хром и ванадий — достаточно 
доступные металлы, имеющие относительно высокую температуру плавления. Наиболее тугоплавки вольфрам, молибден, 
ниобий, тантал.
По строению электронных оболочек металлы принято 
разделять на нормальные и переходные.
У нормальных металлов внутренние электронные оболочки (уровни) полностью заполнены. К таким металлам относятся Na, Cn, Mg, Al, Pb и др. У переходных металлов внутренние р- и d-оболочки недостроены. Наиболее характерные 
представители переходных металлов Fe, Pd, Pt и т. п.
Производство стали примерно в двадцать раз превышает общее производство всех цветных металлов и сплавов; 
80—85 % чугуна используют для выплавки стали.
К неметаллическим конструкционным материалам относятся:
— органические и неорганические полимерные материалы;
— пластмассы;
— композиционные материалы;
— каучуки и резины;
— лакокрасочные материалы;
— клеи и герметики;
— керамика;
— стекло;
— бетон;
— графит;
— дерево;
— другие материалы.
Такие их свойства, как достаточная прочность, жесткость 
и эластичность при малой плотности, светопрозрачность, химическая стойкость, диэлектрические и другие свойства, часто делают эти материалы незаменимыми. Также следует отметить их технологичность и эффективность при использовании. Неметаллические конструкционные материалы находят 
все большее применение в различных областях машиностроения. Основой неметаллических материалов являются полимеры, главным образом синтетические.
Основу современной техники составляют металлы и металлические сплавы. Правильный выбор конструкционных 
материалов для деталей машин, механизмов и конструкций 
обеспечивает снижение их массы и габаритов, повышение их 
эксплуатационной надежности и долговечности. Развитие 
ядерной, ракетной, космической и других новейших областей 
техники во многом зависит от наличия современных конструкционных материалов.
Громадное, все увеличивающееся производство и потребление металлов — одна из характерных особенностей нашего 
времени. Несмотря на открытие и массовое применение значительного числа новых неметаллических материалов, роль 
металлов все более возрастает.
К ряду особенно прогрессивных конструкционных материалов, обусловливающих высокий экономический эффект, 
относятся композиционные материалы. Современные технологии позволяют получать композиты с заданными механическими свойствами, сочетающими малую плотность с высокой прочностью, жесткостью, ударостойкостью и долговечностью. К тому же этим материалам можно придать нужные 
электрические, магнитные, теплофизические и другие свойства.
Материаловедение и технология материалов не только позволяют удовлетворять потребность экономики в материалах. 
Они также открывают обществу возможности и пути решения 
таких насущных проблем, как истощение природных ресурсов 
и поддержание высоких темпов экономического развития. 
Производительность труда и структура производительных сил 
также в значительной степени зависят от прогресса в этой области.

Глава 2 

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ 
ТВЕРДЫХ ТЕЛ

2.1. Кристаллы

Различают два вида твердых тел: кристаллические и 
аморфные. Примером кристаллического тела является каменная (или поваренная) соль. Типичный пример аморфного тела — обыкновенное стекло. У аморфного тела отсутствует определенная температура плавления. В этом состоит 
одно из основных его отличий от кристаллического. Вместо 
фиксированной температуры плавления у аморфного тела 
наблюдается более или менее растянутый интервал размягчения, в котором оно переходит из твердого в жидкое состояние.
Кристаллы — это вещества, в которых составляющие их 
частицы (то есть атомы, ионы, молекулы, группы атомов) 
расположены правильными, симметричными, периодически 
повторяющимися рядами, сетками, решетками. Кристаллы 
растут из паров, растворов, расплавов и вырастают в виде 
на удивление правильных многогранников. В земле вырастают кристаллы природных минералов. На заводах и в лабораториях выращивают синтетические кристаллы.
Всякий кристалл состоит из 
отдельных атомов одного или 
нескольких видов. Совокупность 
атомов образует то, что называется кристаллической решеткой 
(рис. 2.1). Эта строгая пространственная периодичность в структуре кристалла — характерная 
его черта. Силы связи между 
атомами заставляют частицы в 
Рис. 2.1. Кристаллическая решетка 
кристалле собираться В кристаллические решетки и вырастать в виде многогранников. И характерна для кристалла не сама многогранная форма, не результат роста, а способность расти в такой форме; эта способность не исчезает, даже если кристаллу не удалось принять 
многогранную форму.
Пространственная решетка, основная роль которой сводится к размножению идентичных точек, является лишь геометрическим построением, помогающим выявить законы 
симметрии структуры кристалла.
Решетку можно описать с помощью периодически повторяющегося в пространстве элементарного параллелепипеда — 
элементарной ячейки. Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла, называется элементарной кристаллической ячейкой. На рис. 2.1 она 
выделена жирным.

2.2. Типы связей

Природа сил, удерживающих ионы, атомы или молекулы 
в определенных местах кристаллической решетки, определяет 
строение кристалла и его свойства. Характер связи, возникающей между элементарными частицами в кристалле, формируется электронным строением атомов, вступающих во взаимодействие. Элементарные частицы в кристалле сближаются на 
расстояние, которое обеспечивает кристаллу наибольшую термодинамическую стабильность. Силы притяжения возникают 
благодаря взаимодействию электронов с положительно заряженным ядром собственного атома, а также с ядрами соседних 
атомов. Силы отталкивания возникают в результате взаимодействия положительных ядер соседних атомов при их сближении (рис. 2.2).
Уравновешивание сил происходит при сближении элементарных частиц на расстояние R0. Сближению соответствует минимум энергии, что делает кристалл термодинамически устойчивым.