Основы современного материаловедения

М

 

С

МА

Та

С. А

СОВ
АТЕР

дл

и

канди

реш

аганрогск

А. Дон

ОС

ВРЕ
РИА

Уч

ля средн
и высши

Под 

идата т

С

В

перерабо

Реком

шением н
ого инсти

«

 

нских,
 
 

СНО
ЕМЕ
АЛО

 

чебное п
них проф
их учебны

 
 
общей р

техническ
С. А. Дон

 
 

Второе из
отанное и

 

мендовано
научно-эк
итута име
РГЭУ (РИ

 
 
 

Москв
Берли

2020

В. Н. С

ОВЫ
ЕНН
ОВЕ

особие

фессиона
ых завед

редакцие
ких наук
нских 

дание, 
и дополне

о к издани
спертног
ени А. П. 
ИНХ)» 

 

ва 
ин 
0 

Сёмин

Ы 
НОГ
ЕДЕ

альных 
дений 

ей 
к, доцент

нное 

ию 
о совета 
Чехова (ф

н 

ГО 
ЕНИ

та 

филиал) 

ИЯ

УДК 620.22(075) 
ББК 30.3я73  
        Д67 

Рецензенты: 

Телеш А. Д. — канд. хим. наук, доцент Политехнического института (филиала) 
ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет» 
в г. Таганроге Ростовской области; 
Коноваленко С. П. — канд. техн. наук, доцент кафедры теоретической, 
общей физики и технологии Таганрогского института имени А. П. Чехова (филиала) 
ФГБОУ ВО «Ростовский государственный экономический университет (РИНХ)» 

Донских, С. А. 

Д67 
 
Основы современного материаловедения : учебное пособие
для средних профессиональных и высших учебных заведений / 
С. А. Донских, В. Н. Сёмин; под общ. ред. С. А. Донских.  —
2-е изд., перераб. и доп. — Москва ;   Берлин : Директ-Медиа, 
2020. — 174 с. : ил. 

ISBN 978-5-4499-0524-6 

В учебном пособии рассматриваются основные вопросы современного мате-
риаловедения, адаптированные для преподавания в средних профессиональных и 
высших педагогических образовательных организациях для профиля «Технология». 
Отличительной особенностью является то, что после ряда теоретических разделов 
приведены задачи для аудиторного и самостоятельного решения. 
Рекомендовано научно-экспертным советом Таганрогского института имени 
А. П. Чехова (филиала) федерального государственного бюджетного образователь-
ного учреждения высшего образования «Ростовский государственный экономиче-
ский университет (РИНХ)» в качестве учебного пособия для преподавателей и 
студентов средних профессиональных и высших педагогических образовательных 
учреждений и для всех, кто интересуется современным материаловедением. 

Текст приводится в авторской редакции. 

УДК 620.22(075) 
ББК 30.3я73 

ISBN 978-5-4499-0524-6 
© Донских С. А., Сёмин В. Н., текст, 2020 
© Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2020 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие ....................................................................................... 7

Введение ............................................................................................. 9

§1. Атомно-кристаллическая структура ........................................ 13

§2. Дефекты кристаллов .................................................................. 22

§3. Твёрдые растворы ...................................................................... 26

§4. Диффузия в металлах и сплавах ............................................... 29

§5. Первичная кристаллизация металла ......................................... 30

§6. Твёрдость металлов ................................................................... 34

§7. Диаграммы состояния двойных сплавов ................................. 38

7.1. Правило фаз ........................................................................... 39

7.2. Диаграмма состояния сплавов, образующих твёрдые 
растворы с неограниченной взаимной растворимостью .......... 41

7.3. Ликвации ................................................................................ 43

7.4. Диаграмма состояния сплавов, образующих 
ограниченные твёрдые растворы и эвтектику ........................... 44

7.5. Диаграмма состояния сплавов, образующих 
ограниченные твёрдые растворы и перитектику ...................... 48

§8. Полимеры ................................................................................... 49

8.1. Общая характеристика и классификация ............................ 49

8.2. Свойства полимеров ............................................................. 57

8.2.1. Механические свойства ................................................. 57

8.2.2. Теплофизические свойства ........................................... 59

8.2.3. Химические свойства ..................................................... 60

3 

8.2.4. Электрические свойства ................................................ 62 

8.2.5. Технологические свойства ............................................ 64 

8.3. Пластмассы ............................................................................ 66 

8.3.1. Полистирол ..................................................................... 70 

8.3.2. Полиэтилен ..................................................................... 71 

8.3.3. Фторопласт ..................................................................... 73 

8.3.4. Полиимид ........................................................................ 75 

8.3.5. Термореактивные пластмассы ...................................... 78 

8.3.6. Полярные термопласты ................................................. 82 

8.3.7. Газонаполненные пластмассы ...................................... 84 

8.4. Слоистые пластики и волокниты ......................................... 85 

8.4.1. Слоистые пластики ........................................................ 85 

8.4.2. Волокниты ...................................................................... 89 

8.5. Синтетические эмали, лаки и компаунды ........................... 90 

8.5.1. Лаки ................................................................................. 90 

8.5.2. Эмали .............................................................................. 91 

8.5.3. Компаунды ...................................................................... 92 

8.6. Полимерные клеи .................................................................. 94 

§9. Жидкие кристаллы ..................................................................... 97 

9.1. Общая характеристика ......................................................... 97 

9.2. Теория жидкокристаллического состояния вещества ....... 98 

9.2.1. История открытия жидких кристаллов. ....................... 98 

9.2.2. Классификация и статистика жидких кристаллов .... 100 

9.2.3. Структура и свойства нематиков ................................ 105 

9.2.4. Структура и свойства холестериков ........................... 116 

9.2.5. Структура и свойства смектиков ................................ 122 

4 

9.3. Практическое применение жидких кристаллов ............... 129

9.3.1. Примеры практического применения жидких 
кристаллов .............................................................................. 129

9.3.2. Примеры практического  применения 
холестериков........................................................................... 135

9.3.3. Примеры практического применения смектиков ...... 136

§10. Нанотехнологии и наноструктурные материалы ................ 139

10.1. Общая характеристика ...................................................... 139

10.2. Определение наноматериалов .......................................... 141

10.3. Способы получения наночастиц ...................................... 143

10.3.1. Физические и химические методы ........................... 143

10.3.2. Метод конденсации паров в среде инертного 
газа ........................................................................................... 144

10.3.3. Формирование частиц в многокомпонентных 
системах .................................................................................. 146

10.3.4. Плазмохимическая технология  получения 
нанодисперсных оксидов ...................................................... 147

10.3.5. Получение наноструктурных материалов 
механохимическими реакциями ........................................... 149

10.4. Способы получения объёмных материалов с 
наноструктурой .......................................................................... 151

10.5. Тонкие наноструктурные плёнки .................................... 152

10.6. Особенности структуры и свойств, связанные 
с малым размером частиц. Защита поверхности 
ультрадисперсных частиц ......................................................... 154

10.7. Современные методы исследования ............................... 156

10.7.1. Общая классификация методов ................................ 156

5 

10.7.2. Электронно-микроскопические методы .................. 157 

10.7.3. Дифракционные методы ............................................ 159 

10.7.4. Методы электронной спектроскопии 
и масс-спектрометрии............................................................ 164 

10.8. Методы численного моделирования 
в наноматериаловедении ........................................................... 165 

10.8.1. Разные масштабные уровни и проблемы 
моделирования на них ........................................................... 165 

Заключение ..................................................................................... 168 

Библиографический список .......................................................... 171 

 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Материаловедением называется прикладная наука о связи 
состава, строения и свойств материалов и закономерностях их 
изменения под влиянием тепловых, химических, механических, 
электромагнитных и радиоактивных воздействий. 
Решение важнейших технических проблем, связанных с 
экономией материалов, уменьшением массы машин и приборов, 
повышением точности, надёжности и работоспособности механизмов 
и приборов во многом зависит от материаловедения. Непрерывный 
процесс создания новых материалов для современной 
техники обогащает науку о материалах, которая стимулирует появление 
новых технических идей. Революционную роль сыграли 
полупроводниковые материалы и жидкие кристаллы в электронике, 
композиционные материалы в авиации и ракетостроении, 
полимерные материалы в различных областях техники и в быту, 
сверхпроводниковые и аморфные сплавы в электро- и радиотехнике 
и т. д. В настоящее время и на перспективу дальнейший 
прогресс материаловедения невозможен без развития нанотехнологий. 

Теоретической основой материаловедения являются соответствующие 
разделы физики и химии, однако наука о материалах 
в основном развивается экспериментальным путём, поэтому 
разработка новых методов исследования структуры и физико-
механических свойств материалов способствует дальнейшему 
развитию материаловедения. 
Предмет «материаловедение» состоит из двух частей: металловедение 
и неметаллические материалы и включает в себя 
изучение теоретического материала и практические занятия. В 
основном рекомендуется проводить лабораторный практикум, 
для чего издано немало пособий. Однако на основе целого ряда 
теоретических вопросов возможно проводить практические занятия 
по решению задач, что способствовало бы более глубокому 
пониманию теории.  

Именно поэтому мы поставили перед собой цель — разработать 
учебное пособие, в котором после изложения большинства 
теоретических вопросов приведены задачи для аудиторного или 
самостоятельного решения. Всего составлено 23 задачи. 

7 

Учебное пособие разработано в соответствии с требования-
ми ФГОС для специальностей СПО: 
15.00.00 Машиностроение; 
18.00.00 Химические технологии; 
22.00.00 Технологии материалов; 
23.00.00 Техника и технологии наземного транспорта; 
24.00.00 Авиационная и ракетно-космическая техника; 
25.00.00 Аэронавигация и эксплуатация авиационной и ра-
кетно-строительной техники; 
26.00.00 Техника и технологии кораблестроения и водного 
транспорта; 
27.00.00 Управление в технических системах; 
29.00.00 Технология легкой промышленности
и студентов направлений 44.03.01 и 44.03.05 «Педагогическое об-
разование», профиль — технология, квалификация — бакалавр. 

ВВЕДЕНИЕ 

Одной из актуальнейших задач в обеспечении надёжности 
машин и механизмов на всех уровнях их создания и эксплуатации 
(проектно-конструкторский, технологический при изготовлении 
и эксплуатации, научно-исследовательский при проектировании, 
изготовлении, совершенствовании и эксплуатации), является по-
вышение долговечности и надёжности материалов.  
В машиностроении значительно расширилась номенклатура 
материалов с повышенными требованиями к прочности, жаро-
стойкости, коррозионной и химической стойкости. При эксплуа-
тации выбранные конструкторами и технологами материалы 
подвергаются разнообразным эксплуатационным нагрузкам, по-
этому при изучении материаловедения должны более детально 
раскрываться современные, признанные в научной практике, 
дислокационно-структурные механизмы разрушения материалов, 
а также возможности релаксационных и рекристаллизационных 
процессов, позволяющие повышать надёжность работы машин 
при их эксплуатации.  
При обучении студентов материаловедению актуальной 
становится более глубокая ориентация на материалы конкретных 
отраслей машиностроения, в этом случае подготовка по материа-
ловедению будет профессионально направленной. Кроме того, 
содержание изучаемой дисциплины должно быть ориентировано 
на новые подходы в науке о материалах, связанные с оценкой их 
надёжности при эксплуатации.  
Проблема изучения материаловедения заключается в обес-
печении студентов знаниями и умениями:  
1) по выбору оптимальных материалов;  
2) по определению способности материалов увеличить срок 
эффективной и функциональной работы машин, что решается 
изучением структурных превращений под действием многочис-
ленных эксплуатационных факторов, определяющих процессы 
разрушения материалов.  
Именно второе при обучении студентов раскрывается недо-
статочно и снижает уровень подготовки выпускников. Непре-
рывно возрастающие требования к свойствам материалов 
обуславливают необходимость опережающего развития научных 

9 

разработок в области материаловедения. Современное материа-
ловедение как наука о структуре и свойствах различных материа-
лов, существенно модернизируется за счёт интеграции физики 
твёрдого тела, химии и технологии неорганических веществ, ме-
ханики твёрдого деформированного тела и нелинейной механики 
разрушения. Единый подход к явлениям первичной и вторичной 
кристаллизации, упругой и пластической деформации стал возмо-
жен благодаря новому пониманию реальной структуры материа-
лов на всех иерархических уровнях. Все материалы «живут», 
изменяют свои структуры и свойства в процессе их получения, из-
готовления из них деталей и дальнейшей их эксплуатации. Оче-
видно, что материаловедение должно опираться на современное 
направление материаловедения — от микроструктуры к макро-
свойствам, т. е. от микроструктуры к физико-механическим свой-
ствам с учётом эволюции микроструктур и свойств материалов 
при их эксплуатации. Структурные превращения по границам зё-
рен, микроструктура материалов, обусловленная действием мно-
гих факторов эксплуатации и дислокационным механизмом 
разрушения, являются научной основой решения проблемы долго-
вечности и надёжности деталей машин, а также и методической 
основой при изучении курса материаловедения.  
Научно-методическая основа изучения курса материалове-
дения должна быть построена на изучении следующего:  
1) микроструктуры металлов и сплавов — основного факто-
ра надёжности и долговечности деталей машин;  
2) пространственной атомно-кристаллической структуры 
материалов;  
3) аллотропических превращений компонентов сплавов, 
происходящих при определённых условиях на различных стадиях 
термической, упрочняющей и др. видов обработки материалов;  
4) возникновения дефектов атомно-кристаллического строе-
ния и их влияния на механические и др. свойства материалов, а 
значит, на долговечность и надёжность деталей и машин;  
5) дислокационно-структурного механизма разрушения;  
6) механизма структурных превращений при деформациях;  
7) значения и влияния микроструктуры на долговечность и 
надёжность деталей машин в процессе их эксплуатации;  
8) выбора материалов в зависимости от условий эксплуата-
ции.  

10 

Надёжность деталей при эксплуатации машин оценивается 
по различным критериям: прочность, усталость, механическое 
изнашивание, теплостойкость, и т. п. Каждый из этих критериев 
зависит от конкретных и одновременных воздействий различных 
факторов (нагрузки, различные по величине, направлению и цик-
личности, воздействия температуры, химических сред, и т. п.). 
Все эти факторы эксплуатации оставляют свой отпечаток в по-
верхностном слое детали — это микроструктура эксплуатируе-
мой детали. Прочность материала, его надёжность в любой 
момент эксплуатации зависит и может определяться микрострук-
турой поверхностного слоя детали. Установление состояния мик-
роструктуры даст возможность прогнозировать с учётом оценки 
возникающих дислокаций дальнейшее изменение свойств по-
верхностного слоя детали с возникновением в ней дефектов, а 
значит, прогнозировать её долговечность. 
В последние годы получило развитие новое научное 
направление в материаловедении — фрактальное материало-
ведение. Основная задача фрактального материаловедения за-
ключается в разработке принципов управления структурой 
материалов за счёт целенаправленного введения и последующей 
реализации контролируемых обратных связей с целью получения 
материалов с диссипативными свойствами, необходимыми для 
заданных условий эксплуатации. Структура всех уровней сплавов 
рассматривается как живой организм, в котором постоянно под 
действием эксплуатационных факторов происходят структурные 
превращения, как с прямыми, так и обратными связями. Следова-
тельно, при обучении студентов и учащихся материаловедению 
необходимо больше уделять внимание изучению дислокацион-
но — структурных механизмов превращений в сплавах, фракта-
лов и возможностей использования принципа обратных связей 
для сохранения оптимальной метастабильной структуры, соот-
ветствующей требуемым физико-механическим свойствам спла-
вов для повышения долговечности их работы.  
Специфика обучения технологии такова, что в учебных пла-
нах, кроме естественнонаучных дисциплин существуют циклы 
общетехнических и специальных дисциплин, поэтому процесс 
обучения должен осуществляться на основе межпредметных вза-
имосвязей, способствующих успешному овладению профессио-
нальными знаниями и умениями. Формирование познавательной 

11 

и творческой активности студентов должно осуществляться на 
основе комплексного подхода, объединяющего фундаментальное 
(естественнонаучное) и общетехническое образование, что, с 
ориентацией на выявление сущностных основ и связей производ-
ственных процессов, приводит к целостности образования.  
Предлагаемое пособие, особенно задачи, будет, на наш 
взгляд, способствовать решению хотя бы части обозначенных 
выше проблем. 

§1. АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ 
СТРУКТУРА 

Атомно-кристаллическая структура — это взаимное 
расположение атомов в кристалле. Атомы (ионы) в кристаллах 
расположены закономерно и периодически, т. е. имеет место 
дальний порядок, периодически повторяющийся в трёх измере-
ниях. Для описания атомно-кристаллической структуры пользу-
ются понятием кристаллической решётки. 
Кристаллическая решётка — это воображаемая про-
странственная сетка, в узлах которой располагаются атомы 
(ионы) (рис. 1). 

а) 

 

б) 

Рис. 1. Элементарная кристаллическая ячейка 

На рис. 1 толстыми линиями выделен наименьший объём 
кристалла, последовательным перемещением которого вдоль трёх 
своих осей может быть построен весь кристалл. Этот наимень-
ший объём кристалла называется элементарной кристалличе-
ской ячейкой (ЭКЯ). Для однозначной характеристики ячейки 
необходимо знать три её ребра (а, в и с) и три угла между осями 
(α, β и γ). 
Существует семь систем (сингоний) пространственных ре-
шёток: 
1) кубическая: 
а = b = с  и  α =
°
=
=
90
γ
β
 
(рис. 2); 
2) тетрагональная: 
 а = b ≠  с и α  =
°
=
=
90
γ
β
 
(рис. 3); 

13