Москва
ИНФРА-М
2017

ОСНОВЫ
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ

Ю.М. ЛАХТИН

Рекомендуется в качестве учебника 
для студентов средних профессиональных учебных заведений, 
обучающихся по металлургическим 
и машиностроительным специальностям

УЧЕБНИК

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Серия основана в 2001 году

Оригинал-макет подготовлен в НИЦ ИНФРА-М

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru        http://www.infra-m.ru

Подписано в печать 25.03.2017. 
Формат 60×90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton. Печать цифровая.  
Усл. печ. л. 17,0. ППТ40. Заказ  № 00000

ТК  420100-883976-251012

Лахтин Ю.М.
Основы металловедения : учебник / Ю.М. Лахтин. — М. : 
ИНФРА-М, 2017. — 272 с. — (Среднее профессиональное об-
разование).

ISBN 978-5-16-004714-0 (print)
ISBN 978-5-16-102608-3 (online)

Рассмотрены кристаллическое строение металлов, процессы кристалли-
зации, пластической деформации и рекристаллизации, фазы, образующиеся  
в сплавах, диаграммы состояния двойных и тройных систем и технология тер-
мической обработки стали на металлургических и машиностроительных заводах. 
Приведены необходимые сведения о конструкционных, инструментальных, кор-
розионностойких и жаропрочных сталях, а также сплавах на основе титана, меди, 
алюминия и магния. Представлены новые металлические материалы — компо-
зиционные, сплавы с «эффектом памяти формы», металлические стекла, стали 
повышенной и высокой обрабатываемости, а также порошковые материалы.
Учебник предназначен для учащихся металлургических и машинострои-
тельных техникумов. 

УДК 669.01(075.32)
ББК 34.2я723

УДК  669.01(075.32)
ББК  34.2я723
 
Л29

Л29

ISBN 978-5-16-004714-0 (print)
ISBN 978-5-16-102608-3 (online)
© Лахтин Ю.М., 2013

Р е ц е н з е н т ы: 
проф. А.Г. Рахштадт и преподаватель Московского вечернего  
металлургического техникума И.Н. Мамонтова

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М» 
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1 
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

ПРЕДИСЛОВИЕ

Курс «Основы металловедения», в котором изложены законо-
мерности, определяющие строение и свойства металлов и сплавов в 
зависимости от их состава и условий обработки,— один из основных 
в цикле дисциплин, определяющих подготовку техников-металлургов 
и машиностроителей.
Учебник написан в соответствии с программой курса «Основы 
металловедения» для средних специальных учебных заведений по 
металлургическим специальностям (доменное производство, про-
изводство стали, прокатное производство и др.).
В учебнике представлены различные виды термической обработки 
стали. Большое внимание уделено отжигу и нормализации — преоб-
ладающим процессам на металлургических заводах для облегчения 
дальнейшего металлургического передела (например, при производ-
стве калиброванной стали) или подготовке металла для механической 
или деформационной обработки на машиностроительных заводах; 
термической обработке с прокатного нагрева сортового проката; 
рассмотрены режимы противофлокенной обработки.
Автор выражает глубокую благодарность рецензентам проф. 
А.Г. Рахштадту и преподавателю И.Н. Мамонтовой за ценные заме-
чания, которые учтены им.

ВВЕДЕНИЕ

Металловедением называется наука, устанавливающая связь 
между составом, структурой и свойствами металлов и сплавов и изу-
чающая закономерности их изменения при тепловых, химических, 
механических, электромагнитных и радиоактивных воздействиях.
Впервые существование связи между строением стали и ее свой-
ствами было установлено П.П. Аносовым (1799–1839).
Основы научного металловедения были заложены выдающимся 
русским металлургом Д.К. Черновым (1839–1921), который за свои 
работы был назван в литературе «отцом металлографии».
В начале XX в. большую роль для развития металловедения сыг-
рали работы Н.С. Курнакова, который применил для исследования 
металлов методы физикохимического анализа.
Большое значение в развитии металловедения и термичес-
кой обработки имели работы Осмонда (Франция), ЮмРозери и 
Н. Мотта (Англия), Ф. Зейтца, Э. Бейна и Р. Мейла (США), Таммана 
и Ганемана (Германия) и др.

Развитие металловедения неразрывно связано с работами совет-
ских ученых. В период индустриализации страны возникли многочис-
ленные исследовательские лаборатории на заводах и во втузах, а также 
был создан ряд специализированных исследовательских институтов, 
в которых развернулась широкая работа в области металловедения и 
термической обработки металлов.
Большой вклад в развитие отечественного металловедения вне-
сли С.С. Штейнберг, Н.А. Минкевич, Г.В. Курдюмов, А.М. Бочвар, 
А.А. Бочвар, С.Т. Кишкин, В.Д. Садовский, И.И. Сидорин, А.П. Гу-
ляев и их школы.
Все металлы и сплавы принято делить на две группы. Железо и 
сплавы на его основе (сталь, чугун) называют  ч е р н ы м и  м е т а л -
л а м и , а остальные металлы (Be, Mg, Al, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 
Zn, Zr, Nb, Mo, Ag, Sn, W, Au, Hg, Pb и др.) и их сплавы — ц в е т -
н ы м и .
Наибольшее применение нашли черные металлы. На основе желе-
за изготовляется не менее 90% всех конструкционных и инструмен-
тальных материалов. По сравнению с цветными металлами стоимость 
железа и его сплавов невелика. Цветные металлы по сходным свой-
ствам подразделяют на легкие металлы (Be, Mg, Al, Ti), обладающие 
малой плотностью; легкоплавкие металлы (Zn, Cd, Sn, Sb, Hg, Pb, Bi); 
тугоплавкие металлы (Ti, Cr, Zr, Nb, Mo, W, V и др.) с температурой 
плавления выше, чем у железа (1539 °С); благородные металлы (Pt, Pb, 
Ag, Os, Pt, Au и др.), обладающие химической инертностью; урановые 
металлы (U, Th, Ра) — актиноиды, используемые в атомной технике; 
редкоземельные металлы (РЗМ), лантаноиды (Се, Рг, Nd, Sm и др.) 
и сходные с ними иттрий и скандий, применяемые как присадки к 
различным сплавам; щелочноземельные металлы (Li, Na, K), исполь-
зуемые в качестве теплоносителей в атомных реакторах.

Глава I
СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Металлы в твердом и частично в жидком состоянии имеют высо-
кую тепло и электропроводность, положительный температурный 
коэффициент электросопротивления. С повышением температуры 
электросопротивление чистых металлов возрастает; большое число 
металлов обладает сверхпроводимостью: у них при температуре, 
близкой к абсолютному нулю, электросопротивление уменьшается 
скачкообразно до очень малых значений. Кроме того, все металлы 
обладают достаточной отражательной способностью и хорошей де-
формируемостью.
М е т а л л ы  и  м е т а л л и ч е с к и е  с п л а в ы  —  т е л а  к р и с -
т а л л и ч е с к и е .  А т о м ы  ( и о н ы )  в  н и х  р а с п о л о ж е н ы 
з а к о н о м е р н о  в  о т л и ч и е  о т  а м о р ф н ы х  т е л ,  в  к о -
т о р ы х  а т о м ы  р а с п о л а г а ю т с я  б е с п о р я д о ч н о  ( х а о -
т и ч н о ).
Металлы представляют собой поликристаллические тела, состо-
ящие из большого числа мелких (1000–0,1 мкм), различно ориен-
тированных один по отношению к другому кристаллов. Вследствие 
разных условий кристаллизации металла эти кристаллики имеют 
неправильную форму; в отличие от кристаллов правильной формы 
их называют к р и с т а л л и т а м и  и л и  з е р н а м и  м е т а л л а.

СТРУКТУРНЫЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ 
СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Для изучения строения металлов и сплавов, получаемых сплав-
лением (спеканием) двух или нескольких металлов или металлов с 
неметаллами, применяют различные методы исследования. Наибо-
лее широко используют металлографический анализ, позволяющий 
изучать  с т р у к т у р у, т.е. форму, размеры и характер взаимного 
расположения кристаллитов, образующих металл или сплав.
Различают  м а к р о с т р у к т у р у  — строение металла или сплава, 
видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении 
(в 30–40 раз), и  м и к р о с т р у к т у р у  — строение металла или 
сплава, наблюдаемое с помощью микроскопа при больших увели-
чениях.
Макроструктуру изучают на  м а к р о ш л и ф а х.  Для получения их 
из крупных заготовок (слитков, поковок и т.д.) или изделий вырезают 

тем плеть; (макрошлифы), поверхность которых шлифуют, а затем 
подвергают травлению специальными реактивами.
При исследовании макрошлифа можно определить форму и 
расположение зерен в литом металле (рис. 1, а); направление во-
локна (деформированные кристаллиты) в поковках и штамповках 
(рис. 1, б); дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочная 
рыхлость, газовые пузыри, раковины, трещины и т.д.); химическую 
неоднородность сплава, вызванную кристаллизацией или созданную 
термической, а также химикотермической (цементация,  азотиро-
вание и др.) обработкой.

 

Рис. 1. Макроструктура литого (а) и деформированного (б) металла

Микроструктура показывает (рис. 2, а) взаимное расположение 
кристаллитов, их форму и размеры. Микроструктуру изучают на 
м и к р о ш л и ф а х.
Для этого из исследуемого полуфабриката или детали вырезают в 
определенном направлении небольшой образец, одну из плоскостей 
которого шлифуют, полируют и подвергают травлению специальны-
ми реактивами.
Микроструктуру металлов наблюдают в световом или электронном 
микроскопах. В последнем случае готовят не микрошлиф, а специаль-
ный объект — фольгу или реплику.
Разрешающая способность светового микроскопа, т.е. минималь-
ный размер объекта (детали структуры), который различим с его 
помощью, не превышает 200 нм. Полезное увеличение в световом 
микроскопе достигает примерно 1500 раз. Применение больших уве-
личений бесполезно, так как новые, более мелкие детали структуры 
не становятся видимыми, меняется только масштаб изображения, 
поскольку разрешающая способность, определяемая волновой при-
родой света, не меняется.
Разрешающая способность электронных микроскопов значитель-
но выше световых. Использование электронных лучей, обладающих

Рис. 2. Микроструктура металла:
а — микроструктура стали (Fe—Fe3C), ×1500; б — то же, ×44 000; 
в — субструктура металла (дислокации), ×44 000; 
г — микрофрактография стали, ×16 000

очень малой длиной волны (0,04–0,12) 10–1, дает возможность разли-
чать детали изучаемого объекта размерами до 0,2–0,5 нм.
Наибольшее распространение нашли п р о с в е ч и в а ю щ и е 
э л е к т р о н н ы е  м и к р о с к о п ы ПЭМ, в которых поток элек-
тронов проходит через изучаемый объект, представляющий собой 
тонкую фольгу. Получаемое изображение является результатом 
неодинакового рассеивания электронов на объекте.
ПЭМ позволяет подробно изучать субструктуру металла. Одно из 
наиболее важных достижений электронной микроскопии — возмож-
ность прямого наблюдения дефектов кристаллической структуры. 
На рис. 2, б, в показана микроструктура, полученная в электронном 
микроскопе.
Очень большое применение получили р а с т р о в ы е  э л е к т -
р о н н ы е  м и к р о с к о п ы (РЭМ), в которых изображение создается 
благодаря вторичной эмиссии электронов, изучаемых поверхностью, 
на которую падает непрерывно перемещающийся по этой поверхнос-
ти поток первичных электронов.

Растровый микроскоп позволяет изучать непосредственно повер-
хность металла, однако разрешающая способность его (25–30 нм) 
меньше, чем просвечивающего электронного микроскопа.
В последние годы для оценки металлургического качества металла, 
изучения закономерностей процесса разрушения, влияния струк-
турных, технологических и других факторов на разрушение широко 
применяют методы фрактографии — области знания о строении 
изломов, характеризующих механизм разрушения.
Под  и з л о м о м  п о н и м а ю т  п о в е р х н о с т ь ,  о б р а з у -
ю щ у ю с я  в  р е з у л ь т а т е  р а з р у ш е н и я  м е т а л л а.  Вид 
излома определяется условиями нагружения, кристаллографическим 
строением и микроструктурой металла (сплава), формируемой техно-
логией его выплавки, обработки давлением, термической обработки, 
температурой и средой, в которых работает конструкция.
Изломы изучают на макро и микроуровне (при увеличениях до 
50 тыс. крат и выше). Метод визуального изучения изломов, а так-
же с помощью светового микроскопа при небольших увеличениях 
называется фрактографией. Исследование особенностей тонкой 
структуры изломов под электронным или растровым микроскопом 
носит название м и к р о ф р а к т о г р а ф и и  (рис. 2, г).
Для изучения атомнокристаллического строения металлов и 
сплавов применяют рентгеноструктурный анализ. Он основан на 
дифракции рентгеновских лучей с очень малой длиной волны (0,02–
0,2 нм) рядами атомов в кристаллическом теле. Для этой цели, кроме 
рентгеновских лучей, используют электроны и нейтроны, которые 
также дают дифракционные картины при взаимодействии с ионами 
(атомами) металла.
В металловедении все шире для изучения распределения при-
месей и специально введенных элементов в сплавах применяют 
метод р е н т г е н о с п е к т р а л ь н о г о  м и к р о а н а л и з а  (РСМА). 
С помощью РСМА определяют химический состав микрообластей 
на металлографическом шлифе, при этом достигается разрешение 
порядка микрометров.
Нередко для изучения строения металлов и сплавов используют 
физические методы исследования (тепловые, объемные, электрические, 
магнитные). В основу этих исследований положена взаимосвязь меж-
ду изменениями физических свойств и процессами, происходящими 
в металлах и сплавах при их обработке или в результате тех или иных 
воздействий (термических, механических и др.). Наиболее часто 
используют д и ф ф е р е н ц и а л ь н ы й  т е р м и ч е с к и й  а н а л и з 
(построение кривых охлаждения в координатах температура — вре-
мя) и  д и л а т о м е т р и ч е с к и й метод, основанный на изменении 
объема при фазовых превращениях. Для ферромагнитных материалов 
применяют  м а г н и т н ы й  а н а л и з.

АТОМНО- КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Под а т о м н о  к р и с т а л л и ч е с к о й  с т р у к т у р о й  п о н и -
м а ю т  в з а и м н о е  р а с п о л о ж е н и е   а т о м о в   ( и о н о в ) , 
с у щ е с т в у ю щ е е   в   р е а л ь н о м  к р и с т а л л е.
В твердом состоянии металл представляет собой совокупность 
закономерно расположенных в кристалле положительно заряженных 
ионов, связанных между собой свободными или коллективизиро-
ванными электронами. Связь в металле осуществляется электро-
статическими силами. Между ионами и коллективизированными 
электронами проводимости возникают электростатические силы 
притяжения, которые стягивают ионы. Такая связь называется м е -
т а л л и ч е с к о й.
Силы связи в металлах определяются силами отталкивания и 
силами притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) 
располагаются на таком расстоянии один от другого, при котором 
сила взаимодействия минимальна. Как видно из рис. 3, этому поло-
жению соответствует равновесное состояние а0. Сближение атомов 
(ионов) на расстояние меньше а0 или удаление их на расстояние 
больше а0 осуществимо лишь при совершении определенной работы 
против сил отталкивания и притяжения. Поэтому в металле а т о м ы 
р а с п о л а г а ю т с я  з а к о н о м е р н о ,  о б р а з у я  п р а в и л ь н у ю 
к р и с т а л л и ч е с к у ю  р е ш е т к у ,  ч т о  с о о т в е т с т в у е т  м и -
н и м а л ь н о й  э н е р г и и  в з а и м о д е й с т в и я  а т о м о в.
Кристаллическая решетка (рис. 4) состоит из воображаемых ли-
ний и плоскостей, проходящих через точки расположения ионов в 
пространстве. Ионы в узлах кристаллической решетки колеблются 
с частотой порядка 1013 колебаний/секунду. Это движение не пре-

Рис. 3. Схема взаимодей-
ствия двух атомов 
в зависимости от меж-
атомного расстояния a

кращается даже при температуре, близкой 
к абсолютному нулю. Жирными линиями 
выведен наименьший параллелепипед, 
последовательным перемещением которого 
вдоль трех своих осей может быть построен 
весь кристалл.
Этот наименьший объем кристалла, да-
ющий представление об атомной структуре 
металла в любом объеме, получил название 
э л е м е н т а р н о й  к р и с т а л л и ч е с к о й 
я ч е й к и.
Для однозначной ее характеристики не-
обходимо знать три ребра (a, b и c) и три угла 
между осями α, β и γ (см. рис. 4).
Большинство металлов образует одну из 
следующих высокосимметричных решеток 

Рис. 4. Схема кристаллической решетки

с плотной упаковкой атомов: кубическую объемноцентрированную, 
кубическую гранецентрированную и гексагональную (рис. 5).
Большинство металлов образует одну из следующих высоко-
симметричных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую 
объемноцентрированную, кубическую гранецентрированную и 
гексагональную (рис. 5).

Как видно из рис. 5, а, в  к у б и ч е с к о й  о б ъ е м н о ц е н т -
р и р о в а н н о й  р е ш е т к е  ( о . ц . к .) атомы расположены в углах 
куба и один атом в центре объема куба. Кубическую объемноцент-

Рис. 5. Кристаллические решетки металлов:
а и б — кубическая объемноцентрированная 
(о.ц.к.); в — кубическая гранецентрирован-
ная (г.ц.к.); г — гексагональная плотноупа-
кованная