Художественное материаловедение

Е.А. ВОЙНИЧ

ХУДОЖЕСТВЕННОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 

Лабораторно-практические работы 

3-е издание, стереотипное

Москва
Издательство «ФЛИНТА» 
2020

УДК 620.22(076.5)
ББК  30.3я73
          В65

Р е ц е н з е н т

д-р техн. наук, проф. В.И. Чуманов 

В65            

Войнич Е.А.
Художественное материаловедение [Электронный ресурс] : лабораторнопрактические работы : / Е.А.Войнич. — 3-е изд., стер. — М. : ФЛИНТА, 
2020. — 83 с.

ISBN 978-5-9765-2096-7

В работе рассмотрены основные металлические материалы, применяемые в ювелирной технике, их структура и свойства. Разработанные
лабораторные работы состоят из теоретического материала и практической
части.

Для студентов специальности 121200 Технология художественной
обработки материалов, а также инженеров-технологов, ювелиров, 
специалистов по художественной обработке материалов.

УДК 620.22(076.5)
ББК  30.3я73

ISBN 978-5-9765-2096-7
© Войнич Е.А., 2015
© Издательство «ФЛИНТА», 2015

Введение

На протяжении многих столетий металл является не только основой тех
нического прогресса, но и материалом, который широко используется в художественном творчестве и ювелирном производстве. Основываясь на этом разработанные нами методические рекомендации содержат цикл лабораторных
работ, ориентированных на изучение свойств металлов и ювелирных сплавов, а
также способы их обработки. 

В лабораторных работах представлен материал следующего содержания: 

механизм затвердевания жидких растворов их кристаллизацию, характеристики
свойств благородных металлов и сплавов, основы теории и технологии их термической обработки, характеристики пластической деформации металлических
материалов, наклеп металлов, рекристаллизация, механические свойства металлов и сплавов, ковкость и другие технологические свойства металлов и сплавов. 
Также рассмотрены техника безопасности при работе в лаборатории художественной обработки металла. Разработанные лабораторные работы носят как теоретическую, так и практическую направленность, отражающие подход к металлу с позиции восприятия его человеком. 

Перечень лабораторных работ скорректирован с учетом реальных возмож
ностей учебных мастерских по ювелирной обработке металлов. 

Методические рекомендации составлены согласно учебного плана и про
граммы курса «Художественное материаловедение» специальности 121200 
«Технология художественной обработки материалов» и требованиям УМО по
образованию в области технологии художественной обработки материалов и
метрологии. 

Лабораторная работа № 1 
Изучение структуры вещества в твердом состоянии 

Цель работы: Первоначальное ознакомление с вариантами кристаллических решеток, понятием кристаллическое строение вещества, кинетикой процесса кристаллизации. 
Общие сведения: В твердом состоянии большинство неорганических материалов (более 96%) имеют упорядоченное кристаллическое строение. 
Кристаллическое строение вещества — это правильное, упорядоченное, 
периодическое расположение атомов, ионов или молекул в пространстве. 
Характер расположения атомов, ионов или молекул в пространстве принято описывать с помощью кристаллической решетки. Если мысленно соединить центры тяжести атомов, ионов или молекул прямыми, то образуется пространственная решетка, в узлах которой находятся те частицы, из которых состоит вещество. Так как положение атомов в пространстве является периодическим, правильным, а следовательно, симметричным, то и кристаллическая решетка также будет обладать определенной симметрией. 
Симметрия — это одинаковость, соразмерность отдельных частей фигуры в пространстве. 
На рис. 1 показан пример правильного, периодического расположения 
атомов в пространстве и кристаллическая пространственная решетка. В кристаллической решетке можно выделить минимальный объем (он на рисунке 
заштрихован), с помощью которого можно описать положение атомов и симметрию решетки в целом. Этот параллелепипед называется элементарной ячейкой. Элементарная ячейка показана на рис. 1(б). Ребро такого параллелепипеда 
называется периодом или параметром решетки. Величина параметра решетки 
соизмерима с размерами атома. Для металлов параметры решетки составляют 
0,2—0,6 Нм в зависимости от размера атома и типа кристаллической решетки. 
В зависимости от расположения атомов в пространстве полученный параллелепипед может иметь прямые или косые углы, ребра параллелепипеда могут быть 
равны друг другу или не равны, а следовательно, симметрия параллелепипеда 
различна. 
По 
симметрии 
элементарные 
ячейки, а следовательно, и кристаллические решетки, разделены на три категории: низшую, среднюю и высшую. 
Низшая категория содержит три сингонии: триклинная, моноклинная и 
ромбическая. Средняя — также три 
сингонии: тригональная, тетрагональная и гексагональная.  
 
 
 
Рис. 1. Схема расположения атомов в 
твердом веществе 

Таблица 1 
Варианты кристаллических решеток 
 

 
 
Классификация кристаллических решеток по семи сингониям проведена 
на основе их симметрии. Наименее симметрична триклинная сингония, наиболее симметрична — кубическая. 
Свойства вещества зависят от природы тех частиц, из которых оно состоит, типа связи и ее энергии, а также от типа кристаллической решетки. Так, например, углерод в твердом состоянии существует в двух кристаллических формах: в виде графита с гексагональной решеткой и в виде алмаза с кубической 
решеткой. Возможность одного и того же вещества существовать в нескольких 
кристаллических состояниях называется аллотропией или полиморфизмом. 

Этим свойством обладают некоторые металлы (олово, железо, титан, марганец 
и др.) 
Любое вещество в природе может существовать в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. В подавляющем большинстве случаев твердая фаза вещества образуется из жидкого состояния. Процесс перехода вещества из жидкого в твердое состояние называется кристаллизацией. Кристаллизация происходит путем образования и роста кристаллов из жидкой фазы. В расплавленном жидком состоянии металл не имеет правильного кристаллического строения.  
Переход вещества из жидкого в твердое состояние происходит при температурах ниже температуры плавления — кристаллизации. Эта температура 
является константой для каждого данного вещества. Так, например, у меди 
температура плавления составляет 1083°С, серебра — 960°С и т.д. Ниже этих 
температур и медь, и серебро существуют в твердом состоянии, а если переохладить расплав этих металлов ниже температуры плавления, произойдет кристаллизация.  
Процесс кристаллизации начинается с зарождения мелких кристалли- 
ков — зародышей кристаллизации. Зарождение носит случайный характер. 
Другими словами, возникновение кристалла может произойти в любой части 
объема жидкости. Одновременно зарождается не один, а несколько кристаллов 
(в некоторых случаях множество). Скорость зарождения — это число кристалликов, появляющихся в единице объема в единицу времени. 
Таким образом, структура металлов в твердом состоянии состоит из множества кристаллов неправильной формы. Эти кристаллы называют «зерно» или 
«кристаллиты», а саму структуру поликристаллической. 
Размер зерна металла зависит от скорости зарождения и скорости роста 
кристаллитов при кристаллизации. Чем выше скорость зарождения, тем меньше 
размер получаемого зерна. Чем выше скорость роста, тем оно крупнее. 
Первое. Состав сплава таков, что соответствует химическому соединению. Тогда в результате кристаллизации кристаллиты представляют собой это 
химическое соединение. Все зерна однородны по составу, соответствующему 
этому химическому соединению, одинаковы по структуре. Так же, как в случае 
кристаллизации чистого вещества, структура сплава однофазна. 
Второе. Если в составе расплава присутствуют два или более компонентов, то после кристаллизации состав всех зерен оказывается однородным 
и соответствует составу расплава. При этом структура всех зерен также одинакова и кристаллическая решетка зерен соответствует решетке одного из 
компонентов. Например, при сплавлении золота и серебра в любых пропорциях образуется твердый раствор этих компонентов. Твердые растворы наиболее часто образуются в металлических сплавах. Между двумя металлами 
образуется твердый раствор замещения. В этом случае атомы одного компонента замещают атомы другого компонента в его кристаллической решетке. 
На рис. 2 приведен пример такого твердого раствора. В узлах кристаллической 
решетки 
находятся 
не 
только 
атомы 
золота 
(они 
показаны 

светлыми кружками), но и атомы серебра — темные кружки. Количество узлов, занятых атомами серебра, 
соответствует составу сплава, т.е. 
концентрации серебра в нем. Так, 
если сплав содержит 20% Ag и 80% 
Au, то 20% всех узлов кристаллической решетки заняты атомами серебра, а остальные 80% — золота. 
При любой концентрации  

 
 
Рис. 2. Схема кристаллической решетки твердого раствора замещения. 
Атомная концентрация:  
Au : Ag = 80 : 20 
сплав золота и серебра — твердый раствор. 
Третье. После кристаллизации состав зерен неоднороден. Существующие 
зерна с одним составом, имеющие определенное кристаллическое строение, и 
зерна другого состава со своим кристаллическим строением. 
Такое явление происходит, например, при сплавлении меди и свинца.  
В жидком состоянии расплав представляет собой однородную жидкость, состав 
которой в любой точке одинаков. После кристаллизации часть зерен состоит из 
чистого свинца (100% Рb), часть из чистой меди (100% Сu). Количество тех и 
других зерен определяется составом сплава. Так, если расплав состоял из 20% 
Рb и 80% Сu, то количество зерен свинца и меди будет соответствовать этому 
составу 20/80. 
Приведенный пример является крайним случаем, и подобное явление, когда при кристаллизации образуются чистые компоненты, встречается редко. 
Чаще всего расплав кристаллизуется с образованием двух твердых растворов 
или твердого раствора и химического соединения. 
В таком случае говорят, что сплав состоит из двух (если кристаллиты 
двух сортов) или из нескольких фаз (если кристаллиты разных сортов). 
Под понятием фазы понимается часть системы, имеющая определенный 
состав, строение и свойства.    

 
  Рис. 3. Микроструктура        Рис. 4. Микроструктура       Рис. 5. Микроструктура 
эвтектического сплава Ag-Cu;     заэвтектического сплава      доэвтектического сплава 
 -твердый раствор (светлый         Ag-Cu (х 250)                 Ag-Cu (х 320) 
 фон);  -твердый раствор  
  (темные зерна); (х 400) 
 
 
Материалы: Слитки металлов (медь, серебро, свинец) — образцы; горелка для плавки слитков, микроскоп, химическое оборудование.  

Порядок выполнения работы:  
1.
Необходимо ознакомиться с теоретическими сведениями о кристаллических решетках, изучить классификацию. 

2.
Ознакомиться с предложенными образцами. 

3.
Нагревание предложенных слитков до температуры плавления. 

4.
Охлаждение слитков при комнатной температуре. 

5.
Замер времени затраченного на расплавление охлаждения предложенных металлов. 

6.
Заполнить таблицу 2: 

Таблица 2 

Металл
Начальное время
Время, при котором металл рас
плавляется

Время кристалли
зации металла

Cu 
 

Zn 
 

Ag 
 

Контрольные вопросы: 
1. Дать определение кристаллического строения вещества. 
2. Перечислить виды кристаллических решеток. 
3. Какие виды категорий кристаллических решеток существуют? Дать

характеристики. 

4. В каких агрегатных состояниях может существовать вещество? 
5. В чем заключается процесс кристаллизации? 
6. Из чего состоит структура металлов в твердом состоянии? 
7. От чего зависит размер зерна металла при кристаллизации? 
8. Перечислить виды взаимодействий компонентов в расплаве. 
9. Что понимают под понятием фаза?  

Лабораторная работа № 2 
Диаграммы состояния ювелирных сплавов 

Цель работы: Ознакомиться с различными диаграммами ювелирных 
сплавов. 
Общие сведения: Диаграммы состояния ювелирных сплавов. 
Структурное состояние сплава, превращения при нагреве и охлаждении 
описываются диаграммами состояния. 
Взаимодействие двух компонентов можно изобразить графически. Такое 
изображение называется диаграммой состояния или диаграммой равновесия. 
Диаграммы состояния строятся в координатах состав — температура. Они показывают связь между составом, температурой и фазовым состоянием, структурой сплава. Вид диаграммы состояния зависит от характера взаимодействия 
компонентов в твердом состоянии. 
Для построения диаграммы состояния выбирают отрезок на оси абсцисс, 
который принимается за 100% компонента (рис. 1). Тогда любая точка на этом 
отрезке соответствует составу сплава, содержащего х% компонента А и  
100% — х% компонента В. Таким образом, если сплав содержит два компонента, то его состав определяется одной точкой на оси абсцисс. По оси ординат откладывается температура. 
Между некоторыми металлами, применяемыми в ювелирной технике, образуется неограниченная растворимость в твердом состоянии. К таким системам относятся золо- 
то — серебро, золото — медь, платина иридий. Диаграмма состояния для случая неограниченной растворимости в твердом состоянии показана на рис. 2. На диаграмме состояния две линии. Верхняя отделяет область, 
в которой сплавы находятся в жидком состоянии, т.е. в виде расплава. Эта линия называется линия ликвидус. Таким образом, при температурах выше линии ликвидус все сплавы золота и серебра представляют собой расплавленный металл. Нижняя линия на диаграмме 
называется линия солидус. При температурах 
ниже линии солидус все сплавы в этой системе 
находятся в твердом состоянии. Их структу- 
ра — твердый раствор золота и серебра. Между линиями ликвидус и солидус в сплавах в 
равновесии находятся две фазы — жидкость и 
кристаллы твердого раствора. 
 

 
Рис. 1. Графическое изображение 
состава двухкомпонентного сплава 
 

 
Рис. 2. Диаграмма состояния  
Au — Ag  

 
Рис. 3. Определение состава фаз 
по диаграмме состояния Au — Ag 

Кристаллизация сплава любого состава начинается при охлаждении его 
немного ниже линии ликвидус. Разность между теоретической и реальной температурой начала кристаллизации называется степенью переохлаждения. В 
жидкой фазе зарождаются и растут кристаллы твердого раствора. Кристаллизация сплава происходит при понижении температуры и заканчивается при достижении сплавом температуры линии солидус или несколько ниже. Если скорость охлаждения сплава невелика, то в результате кристаллизации структура 
сплава представляет собой однородный твердый раствор, состав которого точно 
отвечает составу сплава. 
Если скорость охлаждения достаточно высокая, то твердый раствор оказывается неоднородным. Это связано с особенностью кристаллизации твердых 
растворов при температурах, лежащих в интервале между ликвидус и солидус. 
Например, при температуре 1000°С (рис. 3) состав образовавшихся кристаллов 
твердого раствора определяется точкой А И при содержании в сплаве 50% Au и 
50% Ag, в твердом растворе 70% Ag и 30% Au. В то же время в жидкой фазе 
находятся 70% Au и 30% Ag (точка В). При изменении температуры состав 
твердой фазы изменяется по линии солидус, жидкой — по линии ликвидус. Таким образом, при охлаждении, т.е. при изменении температуры, состав твердой 
фазы непрерывно изменяется. 
Изменение состава происходит за счет перемещения атомов, т.е. за счет 
диффузии. В твердых телах подвижность атомов невелика. Диффузия происходит значительно медленней, чем в жидкости. Если скорость охлаждения при 
кристаллизации достаточно велика, то выравнивающая диффузия не успевает 
произойти и состав твердого раствора оказывается неоднородным. Центральная 
часть зерен, которая образовалась при более высоких температурах, содержит 
повышенное содержание Ag, периферийная часть — повышенное содержание 
Аи по сравнению с составом сплава. Это явление называется дендритной ликвацией. Чем шире интервал кристаллизации сплава, т.е. чем больше разница 
между температурами ликвидус и солидус, тем больше вероятность такого явления. 
Неоднородность зерен сплава по составу — нежелательное явление для 
ювелирных сплавов. Такие сплавы сильнее корродируют, имеют неоднородные 
механические свойства и пр. 
Дендритную ликвацию можно устранить, если отжечь сплав при температурах на 50 — 100°С ниже линии солидус. 
Диаграмму состояния, характерную для системы золото — серебро, имеют также сплавы системы золото — медь и платина — иридий. Кристаллизация 
сплавов в этих системах происходит аналогично сплавам золото — серебро. 
Если два металла ограниченно растворимы в твердом состоянии, то вид 
диаграммы состояния изменяется. На рис. 4 показана диаграмма состояния 
медь — серебро. Эти два металла ограниченно растворимы в твердом состоянии. Твердый раствор меди в серебре обозначен а. Растворимость меди в серебре изменяется от 0,2% при 200°С до 8,8% при 779°С. Это максимальная растворимость. Растворимость серебра в меди (область  -раствора) изменяется от 0% 
при 200°С до 8,0% при 779°С.