Основы материаловедения

А.А. ЧЕРЕПАХИН

УЧЕБНИК

Москва
КУРС

ИНФРА-М

2022

ОСНОВЫ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Рекомендовано в качестве учебника по профессиям:

2.15.01.23 «Наладчик станков и оборудования в механообработке»;

2.15.01.24 «Наладчик шлифовальных станков»;
2.15.01.25 «Станочник (металлообработка)»;

2.15.01.26 «Токарь-универсал»; 2.15.01.27 «Фрезеровщик-универсал»; 

2.15.01.28 «Шлифовальщик-универсал»; 2.15.01.30 «Слесарь»;

2.23.01.03 «Автомеханик»

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3я73
 
Ч46

Черепахин А.А.
Основы материаловедения : учебник / А.А. Черепахин. — Мо-

сква: КУРС: ИНФРА-М, 2022. — 240 с. — (Среднее профессиональное 
образование).

ISBN 978-5-906923-12-7 (КУРС)
ISBN 978-5-16-012623-4 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102386-0 (ИНФРА-М, online)
Учебник написан в соответствии с требованием государственного обра-

зовательного стандарта преподавания общепрофессиональной дисциплины «
Основы материаловедения», и предназначен для подготовки специалистов 
машиностроительных профессий среднего профессионального 
образования по профессиям: 2.15.01.23 «Наладчик станков и оборудования 
в механообработке», 2.15.01.24 «Наладчик  шлифовальных станков», 
2.15.01.25 «Станочник (металлообработка)», 2.15.01.26 «Токарь-универсал», 
2.15.01.27 «Фрезеровщик-универсал», 2.15.01.28 «Шлифовальщик-
универсал», 2.15.01.30 «Слесарь», 2.21.01.03 «Автомеханик».

В учебнике рассмотрено: кристаллическое строение металла, процессы 

кристаллизации, пластической деформации и рекристаллизации. Описаны 
фазы, образующиеся в сплавах, и диаграммы состояния, современные 
конструкционные, топливные и смазочные материалы. Изложены современные 
методы испытаний и критерии оценки конструктивной прочности 
материалов, методика подготовки образцов к испытаниям и проведения 
самих испытаний. Большое внимание уделено теории и технологии термической 
обработки. Даны практические рекомендации по выбору способа 
и режима термической и химико-термической обработки.

УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3я73

Р е ц е н з е н т:
Е.Е. Зорин — д-р техн. наук, профессор кафедры «Материаловеде-

ние» ФГБОУ ВО «Московский политехнический университет»

Ч46

© Черепахин А.А., 2017
© КУРС, 2017

ISBN 978-5-906923-12-7 (КУРС)
ISBN 978-5-16-012623-4 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102386-0 (ИНФРА-М, online)

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

ВВедение

Материаловедением называется комплексная наука, изучающая 

зависимости между составом, внутренним строением и свойствами 
материалов, а также закономерности их изменения под воздействием 
внешних факторов: тепловых, механических, химических, электромагнитных, 
радиоактивных. Теоретические расчеты на основе соответствующих 
разделов физики и химии твердого тела не всегда могут 
дать однозначных ответов на поставленные практикой вопросы, поэтому 
в материаловедении большое значение имеют экспериментальные 
методы исследования строения и свойств материалов.

К числу важнейших свойств материалов относятся: механические 

(прочность, вязкость, твердость и др.); химические (сопротивление 
воздействию агрессивной среды); физические (электрические, магнитные, 
тепловые); технологические (жидкотекучесть, штампу-
емость, свариваемость, обрабатываемость резанием, прокалива-
емость и др.).

Непрерывный рост уровня техники предъявляет все более высо-

кие требования к эксплуатационным свойствам материалов различного 
назначения, а также к методам получения и обработки материалов. 
Современное материаловедение обобщает и использует результаты 
исследований отечественных и зарубежных ученых 
на основе физики и химии твердого тела, что позволяет разрабатывать 
новые конструкционные материалы и эффективные технологии 
их получения и обработки.

Работы отечественных ученых А. А. Бочвара, А. А. Байкова, 

Г. В. Курдюмова, В. Д. Садовского, В. А. Каргина внесли огромный 
вклад в развитие современной науки о материалах.

Все конструкционные материалы можно разделить на следующие 

группы: металлические материалы —  к ним относят материалы 
и сплавы, которые подразделяются на черные (железо и его сплавы) 
и цветные (все остальные металлы и сплавы на их основе); неметаллические 
материалы (резина, пластмассы, стекло); древесные материалы; 
композиционные материалы, которые получают объединением 
в единое целое не менее двух разнородных материалов, часто 
не взаимодействующих друг с другом (могут быть на основе систем 
«металл —  металл», «металл —  неметалл», «неметалл —  неметалл»).

Глава 1

Физико-химические  

осноВы металлоВедения

Из 126 описанных в Периодической системе Д. И. Менделеева 

химических элементов 85 относятся к металлам и обладают такими 
характерными свойствами, как:

 
• плотная кристаллическая структура; 

 
• высокая пластичность, ковкость, теплопроводность и электриче-

ская проводимость;

 
• положительный температурный коэффициент электрического 

сопротивления (многие металлы обладают сверхпроводимостью 
при температурах, близких к абсолютному нулю, т. е. в области 
температур -273 °С);

 
• хорошая отражающая способность и, как следствие, характерный 

металлический блеск;

 
• непрозрачность;

 
• низкий уровень степени ионизации (электроны отделяются сво-

бодно);

 
• способность к термоэлектронной эмиссии (испускание элект-

ронов при нагревании);

 
• способность к образованию соединений (сплавы);

 
• растворимость (растворяются в сильных кислотах и едких щело-

чах) и окисляемость (образование оксидов).
Все металлы, за исключением ртути, в обычных условиях —  твер-

дые кристаллические вещества, являющиеся хорошими проводниками 
теплоты и электрического тока. Эти свойства обусловлены 
наличием свободно перемещающихся электронов в кристаллической 
решетке. Более высокими техническими свойствами обладают 
не чистые металлы, а их соединения с металлами и неметаллами — 
сплавы, которые по составу и строению бывают разными (механическая 
смесь, твердый раствор или интерметаллическое соединение), 
но сохраняют важнейшие свойства металлов и называются металлическими 
материалами.

Примером широкого использования сплавов являются сталь — 

сплав железа с углеродом (добавки: Mn, Cr, Ni, Si, P, S); бронза — 

сплав меди с оловом (добавки: Zn, Pb, Al, Mn, Si); латунь —  сплав 
меди с цинком (добавки: Zn, Mn, Al, Pb, Si); мельхиор, нейзильбер —  
сплавы меди с никелем; дюралюминий —  сплав алюминия с медью 
(3–5%), марганцем (около 1%), магнием (около 1%); амальгамы — 
сплавы металлов, содержащие ртуть.

При описании каждого из этих сплавов, являющихся металличе-

скими материалами, допустимо одновременное использование понятия «
металл» (по металлу-основе, основные свойства которого 
наследуются или усиливаются).

1.1. кристаллическое строение  

металлических материалов

У всех металлов и сплавов атомы (ионы) расположены не хао-

тично, а в определенном порядке, т. е. они имеют кристаллическое 
строение. При этом мелкие кристаллы (0,1–0,00001 мм) различно 
ориентированы по отношению друг к другу.

В твердом состоянии металл представляет собой систему из по-

ложительно заряженных ионов, омываемых «газом» из свободных 
коллективизированных электронов. В системе действуют электростатические 
силы притяжения (металлическая связь) и силы отталкивания 
между электронами и ионами.

В качестве модели такого взаимодействия (рис. 1.1, а) можно при-

нять два шара (ионы), между которыми находится пружина (сила 

R0

R

+F
+F

+F

−F

−F
−F

Сила взаимодействия

1

2

3
а)

б)

рис. 1.1. Модель (а) и силы (б) взаимодействия двух атомов:

1 —  сила отталкивания (+F); 2 —  суммарная сила взаимодействия; 3 —  сила 
притяжения (-F); R —  расстояние между атомами; R0 —  равновесное со-

стояние

взаимодействия). В состоянии равновесия расстояние между шарами 
R0. Если расстояние уменьшить и сжать пружину, то между шарами 
появится сила отталкивания (F), которая будет стремиться 
вернуть их в равновесное состояние. При увеличении расстояния 
появится сила притяжения (-F).

Атомы располагаются на таком расстоянии друг от друга, на ко-

тором суммарная сила взаимодействия минимальна (равновесное 
состояние R0). Поэтому в металлах атомы располагаются закономерно, 
в геометрически правильном порядке, соприкасаясь внешними 
электронными сферами, образуя правильную кристаллическую 
решетку, соответствующую минимальной энергии взаимодействия. 
Кристаллическая решетка состоит из воображаемых линий и плоскостей, 
проходящих через точки расположения ионов в пространстве. 
Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной 
структуре металла в любом объеме, называется элементарной 
кристаллической ячейкой.

Большинство металлов имеет кристаллическую решетку трех ти-

пов.

1. Объемно-центрированный куб —  ОЦК (рис. 1.2, а). ОЦК имеют 

металлы Pb, K, Na, Li, Ti, Zrβ, W, Ta, Feα, Cr и др. 

2. Гранецентрированный куб —  ГЦК (рис. 1.2, б). ГЦК имеют ме-

таллы Feβ, Sr, Tn, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Cu, Coα и др. 

3. Гексагональная плотноупакованная решетка —  ГПУ (рис. 1.2, в). 

ГПУ имеют металлы Mg, Tiα, Cd, Os, Zn, Coβ и др.

а)
б)

в)

a
a
b

a

рис. 1.2. Кристаллические решетки металлов:

а —  объемно-центрированный куб —  ОЦК; б —  гранецентрированный куб —  
ГЦК; в — гексагональная плотноупакованная решетка —  ГПУ; a и b — пе-

риоды ячейки

Расстояние между центрами ближайших атомов в элементарной 

ячейке называется периодом ячейки. Он выражается в нанометрах 
(1 нм = 10-11 м). На одну элементарную ячейку ОЦК приходятся два 
атома: один в центре, другой —  в вершине куба. На одну элементарную 
ячейку ГЦК приходятся четыре атома: один в вершине куба, 
а три —  атомы, находящиеся в середине грани.

В разных сечениях (плоскостях) решетки число атомов неодина-

ково. Поэтому свойства кристалла (механические, физические и химические) 
в различных направлениях неодинаковы. Это свойство 
кристаллов называется анизотропией.

1.2. дефекты кристаллической решетки

Реальный кристалл отличается от идеального. Он имеет структур-

ные несовершенства (дефекты): точечные, линейные и поверхностные.

1.2.1. Точечные дефекты

Вокруг узлов решетки (точек равновесия) атомы совершают ко-

лебательные движения. Чем выше температура тела, тем больше 
энергия атомов и больше амплитуда их колебаний. Отдельные атомы 
реального тела всегда имеют энергию, а следовательно, и амплитуду 
колебаний выше средней. Эти атомы могут перемещаться между узлами 
решетки. Допустим, это атом № 1 (рис. 1.3, а). Вышедший 
из узла атом называется дислоцированным. Место, где находился атом 
№ 1 (вакансия), не остается свободным, его занимает атом № 2 
из более глубоких слоев (рис. 1.3, б, в). Далее происходит перемещение 
вакансии в глубь кристалла. В результате образуется решетка, 
представленная на рис. 1.3, г.

Источником тепловых вакансий являются свободные поверх-

ности, границы кристаллов, пустоты и трещины. При температурах, 
близких к температуре плавления, число вакансий может достигать 

1
1
1

2

2
2

3

3

3

а)
б)
в)
г)

рис. 1.3. Механизм образования точечного дефекта:

а–г —  этапы перемещения дислоцированного атома № 1

1–2% от числа атомов в теле. При быстром охлаждении тела их 
можно зафиксировать (так называемые закалочные вакансии). Вакансии 
могут образовываться в результате пластической деформации, 
рекристаллизации и т. д.

1.2.2. Линейные дефекты

Эти дефекты получили название дислокации. Их разделяют 

на краевые и винтовые. Проведем в идеальном кристалле сдвиг 
по плоскости М–М одной части кристалла на одно межатомное расстояние (
рис. 1.4, а). Как видно из рисунка, влево сдвинулась часть 
кристалла.

а)

I

I
M

M

B

E

A

G
D

F

C

A
E

B

C

D
F

б)
в)

рис. 1.4. Линейные дефекты кристаллической решетки:

а —  краевая дислокация; б —  пространственная модель образования винтовой 
дислокации; в — расположение атомов в области винтовой дислокации; 
М–М —  плоскость перемещения дислокации; I–I, G —  плоскости сдвига кристалла; 
АВ — сдвинутая часть кристалла; CD —  несдвинутая часть кристалла; 

EF —  винтовая дислокация

В верхних рядах кристалла оказалось на один атом больше, чем 

в нижних. Появилась лишняя плоскость I–I (экстраплоскость) 
в верхней части кристалла. Линия, перпендикулярная направлению 
сдвига кристалла, является краем экстраплоскости, называется линейной 
дислокацией и может достигать многих тысяч межатомных 
расстояний.

Происхождение винтовой дислокации немного сложнее. Разре-

жем кристалл по плоскости G (рис. 1.4, б) и часть его (АВ) сдвинем 
вверх на одно межатомное расстояние. Горизонтальные атомные 
плоскости изогнутся, и край каждой плоскости сомкнется с краем 
ближайшей соседней плоскости. Расположение атомов в сдвинутой 
части (AB) и в несдвинутой части (DС) даст винтовую линию. 
На рис. 1.4, в белыми кружками обозначены атомы сдвинутой части, 
черными —  несдвинутой. Линия ЕF представляет собой так называемую 
винтовую дислокацию, при наличии которой кристалл как бы 
состоит из закрученных по винту кристаллографических плоскостей. 
Дислокации легко подвижны, так как в зоне дислокаций решетка 
упруго искажена. Атомы в этой зоне смещены относительно равновесных 
положений и стремятся переместиться в равновесные положения.


1.2.3. Поверхностные дефекты

В реальном теле множества кристаллов соприкасаются между со-

бой. Следовательно, тело имеет поликристаллическое строение. Отдельные 
кристаллы получили название зерно. Поверхностные дефекты 
образуются на границах зерен. Границы зерен (рис. 1.5, а) 
обычно представляют собой переходную область шириной 3–4 межатомных 
расстояний.

В этой области решетка одного кристалла переходит в решетку 

другого, имеющего иную кристаллографическую ориентацию. Поэтому 
на границах зерен атомы расположены несколько иначе, чем 
в объеме зерна. На границах зерен в технических металлах концентрируются 
примеси, что еще больше нарушает правильный порядок 
расположения атомов. Зерна повернуты друг относительно друга 
на небольшие углы, и по границам скапливаются дислокации 
(рис. 1.5, б), а также примеси и различные посторонние включения. 
Такая структура называется мозаичной или блочной. В результате реальный 
металл имеет сложную дислокационную структуру (рис. 1.5, в), 
которая влияет на его свойства..

1.2.4. Диффузия

Наличие вакансий определяет возможность перемещения атомов 

в кристаллическом теле на расстояния, превышающие межатомные 
для данного металла (диффузия). Перемещение атомов, не связанных 
с изменением концентрации в отдельных объемах, называется самодиффузией. 
Диффузия, связанная с изменением концентрации, назовется 
гетеродиффузией. Она происходит в сплавах с повышенным 
содержанием примесей.

1
2
3

а)

б)

в)

рис. 1.5. Строение границ и блочной структуры кристаллов:

а —  размещение атомов в области границ зерен; б —  малоугловая граница; 

в — блочная структура; 1, 3 —  зерна; 2 —  граница