Потребительские свойства цветных и драгоценных металлов : строение и потребительские свойства материалов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 658 

Кафедра металловедения цветных металлов

В.К. Портной 
 

Потребительские свойства 
цветных и драгоценных  
металлов 

Строение и потребительские  
свойства материалов 

Курс лекций 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2010 

УДК 669.2/.8 
 
П60 

Р е ц е н з е н т  
проф. В.К. Нарва 

Портной В.К. 
П60  
Потребительские свойства цветных и драгоценных металлов: Строение и потребительские свойства материалов: Курс 
лекций. – М.: Изд. Дом МИСиС, 2010. – 109 с. 
ISBN 978-5-87623-331-8 

Курс лекций «Строение и потребительские свойства материалов» является частью дисциплины «Потребительские свойства цветных и драгоценных 
металлов». 
Рассмотрены основы строения материалов, их свойства и способы их определения в объеме, необходимом коммерсантам для понимания терминологии, используемой работниками промышленности; этот курс является базовым для усвоения последующих курсов: «Технологические процессы формирования потребительских свойств металлов», «Состав, структура и свойства 
цветных металлов», «Состав, структура и свойства драгоценных металлов» и 
«Ювелирное дело». В гл. 1 курса рассмотрены типы межатомной связи, 
строение кристаллов, физико-химические взаимоотношения компонентов, 
описываемые диаграммами состояния, даны элементарные представления о 
дефектах кристаллического строения и о формировании зеренного строения 
металлов. В гл. 2 описаны основные свойства материалов и способы их определения, реализуемые в сплавах цветных металлов. В гл. 3 кратко рассматриваются формирование структуры и свойства промышленных сталей и чугунов. 
Предназначен для студентов направления 522000 «Коммерция», специализирующихся в области рынка цветных металлов (080301), и может быть 
полезен студентам специальностей 060800 и 330201. 

УДК 669.2/.8 

ISBN 978-5-87623-331-8 
© В.К. Портной, 2010 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................5 
1. Строение материалов ...........................................................................7 
1.1. Типы межатомных связей в материалах......................................7 
1.1.1. Ионная связь............................................................................7 
1.1.2. Ковалентная связь...................................................................8 
1.1.3. Металлическая связь ............................................................11 
1.2. Аморфное и кристаллическое строение ....................................12 
1.2.1. Аморфное строение..............................................................12 
1.2.2. Кристаллическое строение ..................................................13 
1.2.3. Элементарные ячейки ..........................................................14 
1.2.4. Шаровые упаковки ...............................................................15 
1.3. Полиморфизм...............................................................................18 
1.4. Термический анализ ....................................................................20 
1.5. Диаграммы состояния .................................................................22 
1.5.1. Диаграмма состояния системы 
с непрерывным рядом твердых растворов ...................................24 
1.5.2. Диаграмма состояния системы 
эвтектического типа .......................................................................29 
1.5.3. Переменная растворимость в твердом 
состоянии.........................................................................................35 
1.5.4. Системы с конгруентно плавящейся 
промежуточной фазой или химическим 
соединением....................................................................................36 
1.5.5. Системы с полиморфизмом компонентов..........................37 
1.6. Дефекты строения кристаллов ...................................................39 
1.6.1. Точечные дефекты кристаллов............................................40 
1.6.2. Линейные дефекты кристаллов...........................................42 
1.6.3. Плоскостные (поверхностные) дефекты 
кристаллов.......................................................................................46 
1.7. Формы роста кристаллов ............................................................47 
Контрольные вопросы........................................................................49 
2. Свойства материалов..........................................................................51 
2.1. Физические свойства...................................................................52 
2.1.1. Плотность..............................................................................52 
2.1.2. Тепловые свойства................................................................53 
2.1.3. Электрические свойства.......................................................54 
2.1.4. Механические свойства .......................................................56 

2.1.5. Зависимость твердости и электрического 
сопротивления от состава сплавов в двойных 
системах...........................................................................................73 
2.2. Технологические свойства..........................................................76 
2.3. Сопротивление коррозии............................................................78 
2.3.1. Газовая коррозия...................................................................78 
2.3.2. Электрохимическая коррозия..............................................79 
Контрольные вопросы........................................................................80 
3. Структура и свойства сталей и чугунов ...........................................81 
3.1.Углеродистые стали .....................................................................81 
3.1.1. Система железо – углерод....................................................81 
3.1.2. Система железо – цементит.................................................82 
3.1.3. Микроструктура сталей .......................................................84 
3.1.4. Промышленные стали ..........................................................89 
3.2. Чугуны..........................................................................................93 
3.2.1. Микроструктура белых чугунов..........................................93 
3.2.2. Система железо – графит.....................................................95 
3.2.3. Микроструктура серых чугунов..........................................96 
3.2.4. Микроструктура половинчатых чугунов..........................100 
3.3. Промышленные чугуны............................................................101 
Контрольные вопросы......................................................................107 
Литература ............................................................................................108 
 

Введение 

Курс «Строение и потребительские свойства материалов» является базовым для освоения всех курсов, в которых будут рассматриваться конкретные цветные металлы и сплавы, драгоценные металлы 
и драгоценные камни, их обработка (включая и ювелирное дело). На 
рынке материалов покупателя интересуют их потребительские свойства: твердость, прочность, электропроводность, стойкость против 
коррозии, цвет и др. Сочетание свойств материала, удовлетворяющих потребителя, и его цены определяет конкурентоспособность товара на рынке. Только в особых случаях потребитель не интересуется 
свойствами материала. Примером такой ситуации может служить 
заказ, который получил Кольчугинский завод по обработке цветных 
металлов в 1912 г. от одной немецкой фирмы. Заказаны были ступы 
и пестики из латуни Л70 (сплав 70 % Cu и 30 % Zn). Ступки и пестики в те времена, да и лет 50 позже, использовали в быту для измельчения кофе, сахара, сухарей и т.п. Кольчугинский завод производил 
такие изделия, но в этом заказе ступы и соответствующие им пестики 
имели размер человеческого роста и, видимо, предназначались для 
мифических великанов. Однако заказчик всегда прав, ступы были 
отлиты и отправлены в Германию. А в 1914 г. началась Первая мировая война, и бедная сырьевыми ресурсами Германия могла использовать металл этих ступ для производства патронов или артиллерийских снарядов, ведь эта латунь, если ступы переплавить и изготовить 
листы, широко используется как материал для патронов. 
Другой пример – из советского времени. В СССР стоимость электроэнергии была несопоставимо низкой по сравнению с мировыми 
ценами и поэтому был очень дешев первичный алюминий, на производство которого расходуется много электроэнергии. Западным 
фирмам иногда было выгодно покупать дешевые изделия из алюминиевых сплавов сравнительно невысокого качества и затем пускать 
их на переплавку для производства алюминиевых сплавов высокого 
качества. И в этом случае изделия использовали как сырье и поэтому 
свойства покупаемого материала (алюминиевого сплава), например 
его прочность, покупателя не интересовали. В настоящее время это 
маловероятно, так как цена алюминиевых сплавов в России находится на мировом уровне, а иногда и превосходит его. 
Итак, для потребителя главное в материале – это его свойства (в 
сочетании с ценой). А свойства материала полностью зависят: от его 

атомного строения (от расположения атомов в пространстве, межатомных расстояний); от электронного строения (сколько электронов 
и как они распределены в пространстве между атомами (ионами)); от 
количества в составе сплава металлов разного типа и от того, образуют ли они между собой химические соединения, т.е. имеются ли 
химические связи между атомами разных сортов; от формы и размера кристаллов (если материал является кристаллическим телом). 
Таким образом, наука о строении и свойствах материалов – это 
учение о связи свойств материалов с их химическим составом и 
строением (структурой). 
Становление науки о материалах и их свойствах произошло во второй половине ХIХ в. в результате необходимости удовлетворения потребностей быстро развивающейся техники, когда естественные базовые науки – химия и физика – достигли необходимого уровня. В первые 
два десятилетия ХХ столетия были накоплены экспериментальные данные о структуре разнообразных материалов под световым микроскопом 
и об их свойствах. Начиная с 20-х годов рентгеноструктурный анализ 
становится основным методом исследования атомного строения материалов. С 50-х годов начинается широкое использование электронного 
микроскопа для изучения структуры материалов. 
Зная, как структура влияет на свойства материалов, можно выбирать 
пути целенаправленного изменения структуры для обеспечения необходимых свойств. Есть три таких пути. Первый, для литых изделий, – изменение химического состава материала и условий затвердевания при 
получении деталей из него плавкой и литьем. Другой, широко используемый (в случае металлических материалов) способ – обработка давлением: прокатка, ковка и т.п. способы изготовления деталей деформацией из полученных литьем заготовок. Третий путь – термическая (тепловая) обработка заготовок и изделий, полученных литьем или обработкой давлением, а также другими процессами. Термическая обработка 
материала заданного химического состава – универсальный способ воздействия на структуру, а следовательно, и на свойства материала. Этот 
способ применяют к материалам самого разного типа.  
Каковы основные представления о строении материалов, какими 
свойствами могут обладать материалы для тех или иных деталей и 
как конкретно изменяются структура и свойства материалов в результате изменения химического состава, обработки давлением и/или 
термической обработки, рассматривается в курсе «Потребительские 
свойства цветных и драгоценных металлов». 

1. СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ 

1.1. Типы межатомных связей в материалах 

Каждый атом, как известно, состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра. Изолированный атом в целом электронейтрален: положительный заряд ядра скомпенсирован суммарным отрицательным зарядом электронов. 
В материале, находящемся в твердом состоянии, возможны три 
основных типа межатомной связи: ионная, ковалентная и металлическая. Строгое объяснение природы этих связей возможно лишь с позиций квантовой механики. Для наших же целей вполне достаточно 
использовать наглядные модельные представления классической физики, если считать, что все виды межатомной связи обусловлены 
электростатическим взаимодействием заряженных частиц, из которых состоят атомы: одноименно заряженные частицы взаимно отталкиваются, разноименные притягиваются. 

1.1.1. Ионная связь 

Классический пример ионной связи – молекула NaCl (рис. 1.1). 
Атомный номер натрия в таблице Менделеева Z = 11. Это означает, 
что вокруг ядра с зарядом +11 на орбитах находится одиннадцать 
электронов с суммарным зарядом −11, и в целом изолированный 
атом натрия электронейтрален, т.е. не имеет заряда. 

 

Рис. 1.1 

Рис. 1.2 

Атомный номер хлора Z = 17, т.е. вокруг ядра с зарядом +17 на 
орбитах находится 17 электронов с суммарным зарядом −17. Электронная оболочка атома подразделена на слои, в каждом из которых 
может быть не больше определенного числа электронов, например, 
максимум два электрона в 1-м слое, 8 – во 2-м и 8 – в 3-м слое. 
Восьмерка электронов (октет) является наиболее устойчивой 
электронной конфигурацией. Именно она свойственна внешней оболочке благородных газов, таких как Ne и Ar.  
В начале ХХ в. было выдвинуто предположение о том, что все 
атомы стремятся или отдать или приобрести столько электронов, 
чтобы внешняя электронная оболочка стала октетом. При сближении 
атомов Na и Cl атом Na отдает свой единственный электрон внешней 
оболочки атому Cl и сам превращается в положительно заряженный 
ион Na+. Строение электронных оболочек у иона Na+ такое же, как у 
его соседа в таблице Менделеева – атома Ne, но в отличие от атома 
Ne, у иона Na+ суммарный заряд электронов меньше (−10) на 1, чем 
заряд ядра (+11) и поэтому ион Na+ положительно заряжен. Атом 
хлора, присоединив электрон от атома Na, сам превращается в отрицательно заряженный ион Cl−. Строение электронных оболочек у иона Cl− такое же, как у его соседа в таблице Менделеева – атома Ar, но 
в отличие от атома Ar у иона Cl- суммарный заряд электронов (−18) 
на единицу больше заряда ядра (+17) и поэтому ион Cl− отрицательно заряжен. 
Электростатическое взаимное притяжение противоположно 
заряженных ионов Na+ и Cl– и обусловливает ионную связь 
Ионная связь возникает между атомами типичных металлов, легко 
отдающих электроны внешней оболочки 
(например, Li, Na, K), и атомами типичных 
неметаллов, стремящихся присоединить 
электроны к своей внешней оболочке 
(например, F, Cl, Br). 

1.1.2. Ковалентная связь 

Этот тип связи проще всего понять, 
если мысленно представить постепенное 
сближение двух атомов водорода. Если 
атомы так сблизятся, что их электронные 
оболочки перекроются, то произойдет 
следующее (рис. 1.2).  

Когда электрон 1-го левого атома при своем движении окажется 
на более близком расстоянии к ядру правого атома, то он может начать вращаться вокруг ядра «чужого», правого атома. Затем то же 
произойдет с электроном 2-го правого атома. Затем каждый электрон 
может возвратиться «во владение» к своему ядру. Процесс обмена 
электронами все время повторяется с громадной частотой – 1018 с–1. 
Можно считать, что электроны принадлежат одновременно обоим 
атомам. Схематично можно представить себе, что электроны описывают траекторию в виде восьмерки вокруг двух ядер. Согласно квантовой механике нельзя точно определить траекторию движения электрона, можно лишь говорить о большей или меньшей вероятности 
пребывания электрона в определенной части пространства. В молекуле водорода вероятность пребывания электронов больше в пространстве между ядрами. Связь атомов в молекуле водорода является 
ковалентной и обеспечивается парой электронов, принадлежащей 
обоим атомам. Природу этой связи с позиций классической физики 
можно схематично объяснить следующим образом. Отрицательно 
заряженные электроны, проводя значительную часть времени в пространстве между положительно заряженными ядрами, «стягивают» 
эти ядра, преодолевая силы их отталкивания. Равновесие сил притяжения и отталкивания соответствует устойчивому межъядерному 
расстоянию. 
Ковалентные силы обеспечивают связь атомов не только в отдельных молекулах, но и в кристаллах многих элементов. Кристаллическими называют вещества, внутреннее строение которых – 
ионы или атомы, образуют правильную пространственную систему 
точек, называемую кристаллической решеткой. Строение кристаллов, в которых имеются ковалентные связи, можно объяснить, если 
одновременно использовать и представления об электронных парах, 
связывающих атомы, и представления о том, что каждый атом, вступая в связь с другими атомами, стремится к устойчивой электронной 
конфигурации на внешней оболочке, какой является восьмерка электронов (октет) у инертных газов. 
Типичный ковалентный кристалл – алмаз (рис. 1.3). Атом углерода имеет четыре электрона на внешней оболочке. Если атом углерода 
окружен четырьмя такими же атомами, причем с каждым соседом он 
связан общей электронной парой, то этот атом достроит свою внешнюю оболочку до устойчивой электронной восьмерки. Эти связи 
можно выразить в форме, представленной на рис. 1.3. 

Рис. 1.3 

Здесь точками обозначены электроны на внешне оболочке. Каждый из соседей, окружающих центральный атом, имеет три непарных 
электрона и, следовательно, может присоединить к себе с помощью 
электронных пар еще три атома. 
Это построение можно неограниченно продолжать в пространстве 
во все стороны. Все атомы в кристалле алмаза связаны один с другим 
ковалентными силами, обеспечивающимися парами электронов, находящихся в общем «владении» двух атомов. 
Каждый атом в решетке алмаза окружен четырьмя соседями. Число ближайших соседей называется координационным числом (КЧ). 
Каждый атом связывается ковалентными силами с таким числом соседей, чтобы за счет общих электронных пар образовать устойчивую 
электронную восьмерку. Нетрудно заметить, что координационное 
число определяется по правилу (8 – N) или правилу октета, где 8 – 
число электронов в устойчивой конфигурации, а N – число электронов на внешнем слое свободного атома, т.е. номер группы в таблице 
Менделеева. Из правила октета следует, что ковалентная связь характеризуется насыщаемостью, природа этой связи ограничивает 
число соединяющихся атомов. 
Например, атому элемента V группы – сурьмы, имеющему пять 
электронов на внешней оболочке, для образования устойчивой восьмерки необходимо быть связанным с помощью парных электронов с 
тремя ближайшими соседями. Координационное число в кристаллической решетке сурьмы КЧ = 8 – 5 = 3.  

1.1.3. Металлическая связь 

В начале ХХ в. была разработана теория, объясняющая высокую 
электропроводность металлов наличием в них свободных электронов 
(«электронного газа»), которые хаотично двигаются подобно молекулам обычного газа, а после приложения разности потенциалов получают направленное перемещение. Существование в металле электронного газа прямо доказывается экспериментальным обнаружением электроинерционного эффекта. Когда быстро двигающийся металлический проводник внезапно останавливается, то свободные 
электроны, если они действительно имеются в металле, должны некоторое время двигаться по инерции. Это перемещение электронов 
или электрический ток, можно зафиксировать. 
Почему же именно в металлическом кристалле имеются свободные электроны? Прежде всего, у типичных металлов электроны 
внешней оболочки намного слабее связаны с ядром, чем у неметаллов. Поэтому при образовании кристалла атомы металла легко отдают внешние электроны в «общее пользование». Но тогда могут возникнуть другие вопросы. Почему атомы металлов не отдают свои 
слабо связанные электроны для образования электронных пар, обеспечивающих ковалентную связь? Почему ковалентная связь проявляется в кристаллах элементов IV – VII групп Периодической системы Менделеева, а кристаллы, например, элементов II группы образуются с помощью металлической связи? 
Ковалентные силы связывают атомы в кристалле тогда, когда за 
счет парных электронов может образоваться устойчивая электронная 
восьмерка. Если висмуту (V группа) достаточно отдать в электронные пары три из пяти внешних электронов, чтобы образовался октет, 
а элементы IV группы должны для этого отдать все четыре валентных электрона, то у металлов I – III групп слишком мало валентных 
электронов, чтобы можно было образовать устойчивую восьмерку. 
Например, у алюминия имеется всего три валентных электрона, и 
даже если он отдаст их все для создания электронных пар, то и тогда 
не образуется октет. Поэтому понятно, что кристаллы многих элементов не могут образоваться с помощью ковалентных связей. Для 
связи атомы типичных металлов отдают все или часть своих валентных электронов в «общее пользование» – свободные электроны переходят от атома к атому, точнее – от иона к иону, так как атомы, 
потеряв постоянную связь с определенным электроном, становятся 
ионизированными. Металлическую связь можно схематично объяс

нить притяжением между свободными блуждающими электронами и 
положительно заряженными ионами. Свободные электроны как бы 
стягивают ионы, преодолевая силы их отталкивания, и эти ионы образуют в пространстве правильную и прочную решетку. При некотором сближении ионов наступает равновесие между силами притяжения и отталкивания; такое сближение характеризует устойчивое расположение ионов в пространстве. 
Таким образом, металлический кристалл является совокупностью 
закономерно расположенных в пространстве положительных ионов, 
между которыми находится электронный газ. Металлическая связь 
может осуществляться как в кристаллических, так и в жидких телах. 
Поскольку свободные электроны «обслуживают» без различия все 
атомы, то металлическая связь не обладает насыщаемостью, природа 
связи не ограничивает числа сцепляющихся атомов. 
Наличие свободных электронов в металлах обусловливает все их 
характерные признаки: 
1. Металлический блеск, т.е. отражение света – свойство металлической связи. 
2. Как уже отмечалось, высокая электропроводность металла объясняется перемещением свободных электронов.  
3. Высокая теплопроводность определяется тем же – тепловая 
энергия передается атомными колебаниями и свободными электронами, причем последний способ для металлов является основным. 
4. Ковкость (пластичность) металлов можно объяснить тем, что 
если атомы при механическом воздействии сдвигаются на значительные расстояния и приходят в соприкосновение с новыми соседями, то связь между ними не нарушается, так как свободные электроны «обслуживают» без различия все атомы. В то же время ковалентные кристаллы хрупки, так как локализованная электронная пара, 
«обслуживающая» два определенных атома, не позволяет им переместиться на значительное расстояние без разрыва связей. 

1.2. Аморфное и кристаллическое строение 

1.2.1. Аморфное строение 

Аморфное строение имеют все вещества в жидком состоянии. Вода состоит из молекул H2O, расплавленное стекло – из молекул SiO2, 
расплавленный алюминий – из атомов алюминия. Молекулы, атомы 
в жидкости хаотично распределены в пространстве.