Материаловедение

МОСКОВСКИЙ 
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

РЕДАКЦИОННЫЙ 

С 
О 
В 
Е 
Т 

Председаmель 

Л.А. ПУЧКОВ 

Зам. председаmеля 

л.х. гитис 

Члены редсовета 

И.В. ДЕМЕНТЬЕВ 

А.П. ДМИТРИЕВ 

Б.А. КАРТОЗИЯ 

В.В. КУРЕХИН 

М.В. КУРЛЕНЯ 

В.И. ОСИПОВ 

э.м. соколов 

К.Н. ТРУБЕЦКОЙ 

В.В.ХРОНИН 

В.А. ЧАНТУРИЛ 

Е.И. ШЕМЯКИН 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 

московского 

ГОСУДАРСТВЕННОГО 

ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

peкrnop МГГУ, 

чл.-корр. РАН 

директор 

Издательства МГГУ 

академик РАЕН 

академик РАЕН 

академик РАЕН 

академик РАЕН 

академик РАН 

академик РАН 

академик МАНВШ 

академик РАН 

профессор 

академик РАН 

академик РАН 

ВЫСШЕЕ ГОРНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ 

С.В. РЖЕВСКАЯ 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 

Издание 3-е, переработаппое 

и дополпеппое 

Рекомендовано Министерством образования 

Российской Федерации в качестве учебника 

для студентов высших учебных заведений, 

обучающихся по направлению «Горное дело» 

МОСКВА 

ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО 

ГОСУДАРСТВЕННОГОГОРНОГО 

УНИВЕРСИТЕТА 

2 
о о 3 

УДК622:620.2 

ББК 30.3 

р 48 

Рецепзеиты: 

Федершtыtая целевая llpoгplt.iJLШl 

((Kyльmyplt России» 

Б.А. Гурович- д-р техн. наук, проф., нач. лаборатории Российского научного центра «Курчатовский институт)) 

В. С. Соколов- канд. техн. наук, доц., и. о. зав. кафедрой «Материаловедение)) Академии химического машиностроения 

Ржевская С.В. 

Р 48 
Материаловедение: Учеб. для вузов. 3-е изд., перераб. и 

доп.- М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2003. 456 с. 

ISBN 5-7418-0068-8 (в пер.) 

Изложены на единой физической основе взаимосвязь сосrава, счюсimя, 

сrруктуры и свойсrв различных материалов, а также их изменение под воздейсrвием внешних фЩ<Торов. Предсrавлены все виды материалов, использующихся в горно-добывающей промышленносrи, причем по кою<ретным материалам приведсны сведения о сосrаве, строении, СЧJ)l<Туре, основных физических и потребительских свойствах, классифшшции, маркировке и способах 

воздействия на свойства. Рассмотрены способы заuuпь1 материалов от коррозии и изнашивания. 

Для студентов вузов, обучающихся по направлешпо «Горное дело». Может бьпъ полезна аспирантам и инженерам. 

ISBN 5-7418-0068-8 

у 
дк 622:620.2 

ББК 30.3 

©С.В.Ржевская, 2000,2003 

©Издательство МГГУ, 2000, 2003 

©Дизайн книги. Издательство МГГУ, 2003 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

«Материаловедение» является одной из основных дисциплин, 

определяющих уровень подготовки бакалавров во всех средних и 

высших учебных заведениях. Значение этой дисциплины определяется 

широким диапазоном материалов, используемых в практической деятельности во всех отраслях народного хозяйства. Достаточные знания, полученные в области материаловедения, должны обеспечивать 

в производственных процессах рациональное и эффективное использование материалов при соблюдении требований экономии, экологии 

и безопасности труда. 

Изучение курса «Материаловедение» должно обеспечить решение 

следующих задач при подготовке бакалавров в области горного дела: 

получить прочные знания об основных закономерностях, определяющих строение и свойства материалов, о методах их обработки, о поведении материалов в основных процессах эксплуатации или 

потребления; 

научить выполнять наиболее широко применяемые в технике 

методы испытания качества материалов; 

дать навыки самостоятельного пользования нормативной документацией (НД) и справочной литературой ДТIЯ выбора основных промышленных, а также новых перспектинных материалов и эффективных 

методов их использования в зависимости от условий их применения. 

Учебник поможет будущим инженерно-техническим работникам увязать свои теоретические знания с практической работой и облегчить понимание специальной литературы по материаловедению, а 

специалистам, имеющим практический опыт работы, обновить 

теоретические знания. 

Автор не претендует на исчерпывающую полноту изложения 

всех вопросов материаловедения, а стремится последовательно, на 

современном научном уровне, в доступной форме изложить необходимый объем знаний, предусмотренных программой дисциплины 

«Материаловедение~~ и учебными планами специальностей. Первая 

глава дает представление о взаимосвязях состава, строения и свойств 

различных материалов, способах воздействия на материалы для получения требуемого комплекса свойств. Каждая последующая глава 

объединяет информацию об определенной группе материалов, что 

позволяет выявить общие закономерности их структуры и свойств. 

Более мелким шрифтом n учебнике приведены необходимые справочные и информационные сведения. 

Во втором издании учебника учтены замечания, сделанные к 

первому изданию. Автор признателен коллегам за их замечания, которые способствовали совершенствованию учебника, и выражает 

глубокую благодарность проф., д-ру техн. наук Ю.А. Скакову, доц., 

канд. техн. наук К.И. Шахавой и доц., канд. техн. наук Н.Б. Шубиной за целый ряд ценных советов и замечаний. 

ВВЕДЕНИЕ. Материш1оведеиие: cytЦIIOCinь, 

теория, практика 

1. Основные понятия 

В практической деятельности нас окружают вещества. 

Вещество вид материи, совокупносп, ЩICk'j)C'fiiЫX (прсрьшных) образований (атомы, молекулы и то, что из них пос11юепо), обладающих 

массой покоя. 

Существование веществ в инженерной практике можно охарактеризовать некоторым жизненным uиклом, включающим в себя 

следующие стадии: 

постановка задачи использования; 

научно-исследовательская работа; 

проектно- и опытно-конструкторские работы; 

технологическая подготовка производства; 

изготовление; 

испытание; 

эксплуатация или потребление, хранение, транспортирование, восстановление или ремонт и др. 

В зависимости от стадии своего жизненного цикла вещество 

рассматривается как сырье, материал или изделие. 

Сырье- вещество, предназначенное для дальнейшей переработки. 

Материал- вещество, предназначенное для изготовления чего-нибудь. 

В производственных процессах материалы рассматривают в 

зависимости от их роли как осиовиые и вспомогательиые. 

MamepиlUIЫ основные материалы, которые непосредственно 

расходуются на изготовление продукции и составляют ее главное вещественное содержание. 

На предприятиях горно-добывающей промышленности к основным материалам по существу относятся только материалы, затрачиваемые на производство запасных частей, металлических изделий, 

тары и т. д. Принципиальное отличие горного дела от других отраслей заключается в том, что основным материалом для него являются 

полезные ископаемые. 

Материалы вспо.иогательиые материалы, применяемые для 

производства, но не входящие в состав продукции. 

На горных предприятиях к вспомогательным относятся почти 

все потребляемые материалы (лесные материалы, взрывчатые вещества, смазочные масла, топлива и др.). 

6 

Изделие (продукция) конечный результат человеческого 

труда (обработки, переработки, исследования и т.п.). 

Основным объектом дальнейшего изучения будут являться материалы, используемые в горно-добывающей промышленности. 

2. Значение, цели и задачи дисциплины «Материаловедение» 

для подготовки бакалавров в области горного дела. 

Взаимосвязь с другими дисциплинами 

Матерщиюведеиие наука, изучающая в общей связи состав, 

строение, структуру и свойства материалов, а также закономерности 

их изменения под тепловым, химическим, механическим и другими 

воздействиями. 

Состав .чатериала кош1чественная характеристика содержания в 

нем компонентов. 

Составы разш1чают по природе компонентов. Так, рассма'Iiшвают 

химический, минеральный н другие составы. 

Хи.'fический состав - коm1чественная характеристика содержания в нем 

химических элементов или их соещшепий (например, оксидоо). 

Мииеральиый состав количественная характеристика содержания 

минералоо о каменном материале. 

Мииерало.м называют природное тело, однороrоюе по химическому составу и физическим свойствам. Минерал яоляется продуктом физикохимических процессов, происходящих в земной коре. 

Строеиие Лtltmepuaлa совокупность устойчивых связей вещества, обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе, то есть сохранение основных свойств. 

Структура лштеришш форма, размеры и характер взаимного расположения образующих его компонентов. 

Свойство .материtша признак, составляющий его отличительную особенность. 

Задачами изучения «Материаловедению> являются установление связей состава, строения и структуры материалов с их свойствами 

и на этой основе формирование и сохранение необходимых свойств. 

Основная практическая задача материаловедения в области 

горного дела выбор материала, обладающего заданным комплексом свойств, и его рациональное использование для повышения эффективности технологических процессов горного производства. 

Содержание дисциплины базируется на знании общетехнических дисциплин: химии, физики, термодинамики, физической химии, 

а также большого числа специальных дисциплин, например, термической обработки. 

7 

3. Общие требования, предъявляемые к материалам 

в зависимости от условий использования, 

применении или эксплуатации 

Возможность использования материала определяется его составом, строением, структурой и, следовательно, свойствами. При 

этом требования, предъявляемые к материалам в промышленности в 

зависимости от условий их использования, эксплуатации или потребления, определяются понятием «качество .материала)). 

Качество материшш совокупность его свойств, обусловливающих пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с его назначением. 

Во всех странах задача обеспечения качества, в том числе продукции, имеет важнейшее значение и рассматривается на государственном уровне. Существуют следующие виды обеспечения качества: 

научное; 

организационное; 

нормативно-техническое; 

метрологическое; 

информационное; 

право 
вое; 

материально-техническое. 

Материаловедение дает возможность научного обеспечения 

качества веществ и материалов. 

Организационное обеспечение решается органами Гасстандарта России, в задачи которого входит руководство такими органами, 

как Государственная служба стандартных образцов состава и свойств 

веществ и материалов. 

Стандартные образцы веществ и материалов осязаемые 

объекты. Во многих случаях это прототипы либо образцы коммерческих материалов- цемента, стали, стекла с аттестованным составом. 

Иногда это природные вещества, например, горные породы, почва 

или ткани растений. 

Изначально стандартные образцы веществ и материалов применялись для 

контроля качества в промышленности, особенно в отраслях, связанных с металлообработкой. В ряде случаев стандартные образцы веществ и материалов по~югали закточенmо торговых сделок. Пример такого рода продажа железной руды. количество которой исчисляется миллионами тонн. а цена прямо связана с 

содержанием железа. Оrклонение коiЩентрации железа в руде примерно на 0.1 % 

увеличивает или уменьшает стоимость груза крупного рудовоза на тысячи у.е. 

Надежные измерения химического состава стандартных образ
цов веществ и материалов способствуют принятию важных решений 

для случаев: 

8 

определения пригодных материалов и готовой продукции для 

производств, где химический состав продукции регламентирован; 

контроля состояния здоровья и профилактики болезней, например при профессиональных заболеваниях; 

выявления возможности нарушения закона, например, при 

анализе выхлопных газов автомобилей и сравнении результатов со 

стандартными образцами; 

установления совершения преступления при судебной экспертизе. 

Для регистрации стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов, типы которых признаны в качестве межгосударственного стандартного образца (МСО) стран СНГ, предназначен 

Реестр МСО. Он является источником официальной информации о 

результатах создания и признания типов МСО. 

Создание стандартных образцов веществ и материалов -дело 

дорогостоящее и к тому же требует широких технических знаний и 

большого опыта. Разработка новых стандартных образцов веществ и 

материалов почти всецело определяется рыночным спросом. 

В мире 20 тыс. стандартных образцов веществ и материалов. 

Компьютерный банк данных «Кодекс образцовых веществ» (COMAR) содержит информацию о 12 тыс. стандартных образцов веществ и материалов из 20 стран. В базу данных включены: название и 

общее описание вещества, название и адрес изготовителя, форма вещества, аттестованные свойства, их значения и область применения. 

Центры кодирования COMAR действуют в 14 странах. Необходимую 

информацию можно получить на WеЬ-сайте и в центральном секретариате COMAR. 

Нормативно-техническое и метрологическое обеспечения качества также решаются государственной системой стандартизации на 

основе систем стандартов, среди которых: 

государственная система стандартизации (ГСС); 

система показателей качества (СПК); 

государственная система обеспечения требуемой точности 

и единства измерений (ГСИ); 

государственная система стандартных справочных данных 

(ГС ССД) и др. 

гси и гс сед используют образцовые вещества и химические 

эталоны, что формирует основу единства измерений и обеспечивает 

точность результатов, калибровку оборудования, мониторинг лабораторий и методов оценки, а также способствует сличению методов 

при использовании этих веществ в качестве эталонов сравнения. Они 

должны быть четко маркированы, что позволяет проводить их однозначную идентификацию со ссылкой на соответствующие сертификаты и другую документацию. 
9 

Обязательные требования к качеству продукции, в том числе 

веществ и материалов, базируются на показателях СПК. Они включены в государственные стандарты Российской Федерации стандарты на продукцию, а именно: 

стандарты общих техиических условий, которые содержат общие требования к группам однородной продукции; 

стаидарты техиических условий, которые содержат требования к конкретной продукции. 

Стандарт общих технических условий в общем случае содер
жит следующие разделы: 

классификацию, основные параметры и (или) размеры; 

общие технические требования; 

требования безопасности; 

требования охраны окружающей среды; 

методы контроля; 

правила приемки; 

транспортирование и хранение; 

указания по эксплуатации (ремонту. утилизации); 

гарантии изготовителя. 

Номенклатуру, состав, содержание и наименование разделов 

(подразделов) определяют в соответствии с особенностями стандартизируемой продукции и характером предъявляемых к ней требований. 

Стандарт технических условий устанавливает для одной или 

нескольких марок, сортов и т.п. продукции всесторонние требования, 

соблюдение которых должно обеспечиваться при производстве, поставке, потреблении (эксплуатации), ремонте и утилизации данной 

продукции. 

Окончательная оценка пригодности тех или иных материалов 

для конкретного использования дается на основании натурных испытаний, установленных требованиями государственных стандартов. 

Задачи информационного обеспечения качества веществ и материалов решает Всероссийский научно-исследовательский центр 

стандартизации, информации и сертификации сырья, материалов и 

веществ Гасстандарта России (ВНИЦ СМВ). ВНИЦ СМВ располагает информационным центром стандартов, который комплектуется 

таблицами рекомендуемых и стандартных данных по свойствам материалов и веществ, методиками гс сед. паспортами безопасности 

материалов и веществ, копиями аттестатов аккредитации органов по 

сертификации испытательных лабораторий (центров). государственными реестрами и копиями сертификатов соответствия (безопасности) на продукцию. Кроме того, в этом центре имеются авторские 

свидетельства об изобретении (разделы по материалам, веществам и 

методы их получения). 

10