Материаловедение и технология материалов

В. А. Слесарчук

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 

И ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ 

Утверждено Министерством образования 
Республики Беларусь в качестве учебника 

для учащихся учреждений образования,

реализующих образовательные программы 

среднего специального образования по специальностям 

профиля образования «Техника и технологии»,

группе специальностей «Агроинженерия»

Минск 
РИПО

2019

УДК  620.22(075.32)
ББК  30.3я723

С47

Р е ц е н з е н т ы :

цикловая комиссия преподавателей общетехнических дисциплин 

и спецдисциплин по специальности «Металлорежущие 

инструменты и станки» ф-л «Молодечненский государственный 

политехнический колледж» УО РИПО (Н. М. Халецкая);
доцент кафедры «Технология металлов» УО «Белорусский 

государственный аграрный технический университет», 
кандидат технических наук, доцент В. Р. Калиновский.

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или 

любой ее части не может быть осуществлено без разрешения издательства.

Выпуск издания осуществлен при финансовой поддержке Министерства 

образования Республики Беларусь.

С47

Слесарчук, В. А.

Материаловедение и технология материалов : учеб. / В. А. Слесар чук. – Минск : РИПО, 2019. – 391 с. : ил.

ISBN 978-985-503-937-3.

В учебнике кратко изложены основы атомно-кристалличес кого 

строения металлов, структурообразования, фазовые превращения и 
диаграммы состояния двойных сплавов, строение, свойства, основные области применения металлов и сплавов. Описаны режимы термической обработки. Уделено внимание сплавам на основе цветных 
металлов, а также перспективным материалам – неметаллическим, порошковым и композиционным. В достаточном объеме изложены методы формообразования заготовок и деталей машин литьем, давлением, 
сваркой, технологии пайки и способы нанесения покрытий.

Предназначено для учащихся учреждений среднего специального 

образования, изучающих основы материаловедения.

УДК 620.22(075.32)
ББК 30.3я723

ISBN 978-985-503-937-3               © Слесарчук В. А, 2019

© Оформление. Республиканский институт

профессионального образования, 2019

ВВЕДЕНИЕ

Программа развития промышленного комплекса Республики Беларусь на период до 2020 года предусматривает в качестве первоочередных следующие задачи: обеспечение роста производительности труда за счет модернизации производств; увеличение выпуска соответствующей мировым стандартам продукции; создание или 
развитие высокотехнологичных производств; снижение 
уровня материалоемкости промышленной продукции. 
Решение поставленных задач в значительной мере зависит от создания новых и экономически выгодного выбора существующих конструкционных материалов, их 
обоснованного применения с учетом специфики различных отраслей народного хозяйства, что, в свою очередь, 
невозможно без знания материаловедения.
Материаловедение – это наука, устанавливающая 
связь между составом, структурой и свойствами материалов и изучающая законо мерности их изменения при 
тепловых, химических, механических, электрических и 
других воздействиях. Целью материаловедения яв ляется 
создание материалов с заданными свойствами. Основные 
за дачи материаловедения:
– изучение связи химического состава и структуры 
материалов с их свойствами;
– разработка методов направленного изменения состава и строения материалов с целью улучшения комплекса эксплуатационных характери стик изделий; 

Введение

– рекомендация выбора материала для конкретного 
назначения.
К основным критериям качества конструкционных 
материалов относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам:
прочность – свойство материала сопротивляться разрушению или пластической деформации под действием 
внешней нагрузки; характери зуется временным сопротивлением σB, МПа;
твердость – способность материала сопротивляться 
внедрению в него под действием нагрузки более твердого 
тела (индентора);
пластичность – свойство твердых материа лов изменять без разрушения форму и размеры под влиянием 
внеш ней нагрузки или внутренних напряжений, устойчиво сохраняя обра зовавшуюся форму и размеры после 
прекращения этого влияния; характеризуется относительным удлинением δ, % (показывает, на сколько процентов удлинится образец материала, перед тем как разрушится под действием растягивающей нагрузки).
Конструкционные материалы классифицируют:
1) на металлы и сплавы:
– черные (железо, сплавы железа с углеродом – стали и чугуны);
– цветные (медь, алюминий, дуралюмины, латуни, 
бронзы и др.);
– тугоплавкие металлы (Тi, Nb, Мо, W, Та и др.); 
2) неметаллические неорганические:
– материалы на основе оксидов (Аl2О3, SiO2); 
– силикаты (керамика, стекло, вяжущие);
– тугоплавкие соединения (карбиды, нитриды, бориды);
– халькогениды (сульфиды, селениды, теллуриды);
– элементарные материалы (кремний, бор, графит и др.);
3) неметаллические органические – пластмассы, резина, лакокрасочные материалы; 

Введение

4) композиционные:
– на основе неорганических соединений (металлокерамика, стеклокерамика и др.);
– на основе органических соединений (химволокно 
и смо лы);
– смешанные композиционные материалы (стеклопластики).
Производство черных и цветных металлов в нашей 
стране ежегодно увеличивается. Анализ тенденций развития металлургии показывает, что в качестве основных 
целей приняты: 
• существенное улучшение качества металлопродукции;
• техническое перевооружение предприятий черной 
металлургии;
• увеличение производства холоднокатаного листа, 
проката с упрочняющей термической обработкой из низколеги рованных сталей, листа и жести (в том числе тончайшей) с защит ными покрытиями, холоднокатаной ленты, фасон ных и высокоточных профилей проката, а также толстого стального листа;
• получение изделий с повышенной износостойкостью, долговечностью, коррозионной стойкостью;
• увеличение производства деталей из металлического порошка (с целью снижения трудоемкости); 
• широкое вовлечение в производство металлсодержащих отходов (строительство металлургических заводов небольшой мощности в местах образования лома 
черных металлов и потребления металлопро дукции).
Вместе с тем большое внимание уделяется и развитию производства неметаллических конструкционных материалов, обладающих достаточной прочностью, жесткостью, эластичностью при низкой плотности, химической стойкостью во многих агрессивных средах, хорошей диэлектрической проницаемостью. Существенная 
экономия металла, а также высокая технологичность 

Введение

изготовления изделий из неметаллических материалов 
обусловливают широкие перспективы их использования 
в машиностроении.
Создание и внедрение в промышленность, строительство и сельское хозяйство новых материалов, эксплуатация современных машин, механизмов, приборов и аппаратов требуют подготовки высококвалифицированных 
специалистов. Содержащиеся в данном учебном пособии 
сведения о конструкционных материалах, об их свойствах, о рациональных методах и режимах обработки 
позволят учащимся овладеть знаниями, необходимыми 
для приобретения соответствующей специальности.

ГЛАВА I. ОСНОВЫ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ  
И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ

1.1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА  
МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Металлы составляют большинство химических элементов перио дической системы Д.И. Менделеева. Свойства металлов определяются их природой и строением. 
Различают следующие основные свойства металлов: 
• физические – плотность, температура плавления, 
линейное расширение, электро- и теплопро водность, магнитная проницаемость, способность светиться при нагревании; играют важную роль при выборе металлов 
для изготовления тех или иных деталей машин и механизмов;
• механические – прочность, твердость, упругость, 
пластичность и износостой кость; характеризуют работоспособность металла, т. е. его способность не разрушаться под нагрузкой и вместе с тем хорошо деформироваться (изменять форму и раз меры);
• химические – способность со противляться различным химическим воздействиям, в частности кор розионному воздействию различных активных сред (атмосферы, воды, кислот и т. п.); в значительной мере определяют выбор материалов при конструировании аппаратуры, 
приме няемой в различных отраслях промышленности; 
• технологические – ковкость (пластическое изменение формы в холодном или нагретом состоянии под ми

Глава I. Основы металловедения и термической обработки металлов

нимальными нагрузками), свариваемость (способность 
образовывать неразъемные соединения при местном нагреве кромок соединяемых изделий), литейные свойства 
(способность металла в жидком состоянии заполнять 
форму, после охлаждения представляя собой плотную 
однородную отливку) и др. 
Многие чистые металлы характеризуются низкими 
литейными свойствами и низкой обрабатываемостью резанием, но обладают высокой ковкостью и свариваемостью. Сплавы, наоборот, обладают высокими литейными 
свойствами, но плохо поддаются ковке и сварке.
Металлы и сплавы, применяемые для изготовления 
технологического оборудования, подвергают механическим испытаниям на растя жение, твердость, ударную 
вязкость, усталость и износ.
Испытания на растяжение проводят на образцах 
строго определенной формы. Согласно стандарту для испытания применяют образцы круглого сечения, диаметром рабочей части d0 > 3 мм (рис. 1.1, а). Длину расчетной ча сти образца l0 принимают равной пяти или 
десяти диаметрам. Образцы длиной l0 = 5d0 называют 
пятикратными, l0 = 10d0 – соответственно десятикратными. В практике заводских испытаний в основном используют пятикратные образцы диа метром 5, 6 и 10 мм. 
Для определения характеристик прочности листов металла и труб используют образцы толщиной не менее 
0,5 мм или об разцы труб со сплющенными концами 
(рис. 1.1, б). Плоские и круглые образцы имеют головки, 
которые помещают в захваты испытательной машины. 
Для испытания ме таллов применяют машины, имеющие 
растягивающую силу Р = 40…500 кН. Машины имеют 
специаль ный механизм, позволяющий автоматически 
записывать на ленте диаграмму растяжения – зависимость силы, растя гивающей образец, от его удлинения.

1.1. Основные свойства металлов и сплавов

Рис. 1.1. Форма образцов 
для испытания

Рис. 1.2. Разрывная машина для 
испытания на растяжение
Образец закрепляют между специ альными захватами 5 и 6 (рис. 1.2, а). Движение от электродвигателя 2 
через систему зубчатых колес коробки скоростей 1, гайку и ходовой винт 7 передается нижнему захвату 6. Захват опускается, вызывая растяжение образца. Усилия, 
возникающие в образце, через верхний захват 5 и рычаг 
4 передаются на маятниковый силоизмеритель, связанный с самозаписывающим прибором 3, который вычерчивает диаграмму растяжения.
Зависимость между нагрузкой и линейными размерами образца показана на диаграмме (рис. 1.2, б). Растяжение образца от точки О до точки Р происходит по 
прямой линии. В образце возникают упругие деформации, которые после снятия нагрузки полностью исчезают. На участке ОР металл сохраняет свои упругие 
свойства.
Испытанию могут подвергаться образцы различной 
формы и размеров, поэтому для получения сравниваемых результатов введено понятие напряжение.

P
P

P
P

d0

l0

l0

а
б
а
б

P

P

АБ

В

Г

∆t

1
2

3

4

5

6

7

О

Глава I. Основы металловедения и термической обработки металлов

Напряжением называется нагрузка на единицу площади попе речного сечения. Напряжение σ (Па) определяют по формуле
σ = P/F,
где Р – нагрузка, Н; 
F – площадь поперечного сечения, мм2.
Точка А соответствует напряжению σе – пределу 
упругости. Выше точки А величина удлинения начинает расти быстрее вели чины усилия, поэтому кривая 
диаграммы начинает изгибаться, склоняясь к горизонту. Этот участок диаграммы называют площадкой текучести (для некоторых металлов характеризуется явно 
выраженной горизонтальной линией). При достижении 
точки Б в образце наблюдается заметное остаточное 
удли нение. Напряжение в точке Б называется пределом 
текучести σт.
Дальнейшее увеличение растягивающего усилия (выше предела текучести) приводит к росту удлинения и 
уменьшению площади поперечного сечения образца. 
К этому моменту усилия достигнут наибольшего значения, и в каком-то месте сечения диаметр образца уменьшится больше, чем в других местах, – образуется шейка. 
Образец в шейке станет наиболее тонким, и при дальнейшем увеличении нагрузки в этом месте произойдет его 
разрыв.
Разделив наибольшую нагрузку (точка В), которую 
выдержал образец до разрыва, на первоначальную площадь его поперечного сечения, получим предел прочности σв – напряжение, соответствующее максимальной 
нагрузке, кото рую выдержал образец во время испытания. В точке Г образец разрушается.
Данными, полученными при испытании на растяжение, поль зуются при определении относительного удлинения (δ) и относительного сужения (ψ) – показателей