Материаловедение

№984

ФЕДЕРАЛЬНОЕАГЕНТСТВОПООБРАЗОВАНИЮ

Êàôåäðà ìåòàëëîâåäåíèÿ öâåòíûõ ìåòàëëîâ

Â.Ê. Ïîðòíîé

Ìàòåðèàëîâåäåíèå 

Êóðñ ëåêöèé

Ðåêîìåíäîâàíî ðåäàêöèîííî-èçäàòåëüñêèì
ñîâåòîì èíñòèòóòà

Ìîñêâà  Èçäàòåëüñòâî «Ó×ÅÁÀ»
2007

УДК 620.22 
 
П60 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, доц. С.М. Педос 

Портной В.К. 
П60  
Материаловедение: Курс лекций. – М.: МИСиС, 2007. – 
100 с. 

Курс лекций состоит из трех разделов. В первом разделе 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. Во втором разделе описаны основные 
свойства материалов и способы их определения, реализуемые в сплавах 
цветных металлов. В третьем разделе кратко рассматриваются элементы термической обработки, используемой как для смягчения, так и для упрочнения 
цветных сплавов. 
Содержание курса лекций соответствует программе курса «Материаловедение». 
Предназначен 
для 
студентов, 
обучающихся 
по 
специальности 
080301 «Коммерция» (на рынке цветных металлов), а также может быть 
полезен студентам специальностей 080502 и 280202. 

© Московский государственный институт

стали и сплавов (технологический  
университет) (МИСиС), 2007 

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 ....................................13 
1.2.1. Аморфное строение..............................................................13 
1.2.2. Кристаллическое строение ..................................................13 
1.2.3. Элементарные ячейки ..........................................................14 
1.2.4. Шаровые упаковки ...............................................................16 
1.3. Полиморфизм...............................................................................18 
1.4. Термический анализ ....................................................................20 
1.5. Диаграммы состояния .................................................................23 
1.5.1. Назначение сплавов..............................................................23 
1.5.2. Диаграмма состояния системы с непрерывным 
рядом твердых растворов...............................................................25 
1.5.3. Диаграмма состояния системы эвтектического типа........30 
1.5.4. Переменная растворимость  в твердом состоянии ............36 
1.5.5. Системы с конгруэнтно плавящейся промежуточной 
фазой или химическим соединением............................................38 
1.5.6. Системы с полиморфизмом компонентов..........................39 
1.6. Дефекты строения кристаллов ...................................................41 
1.6.1. Точечные дефекты кристаллов............................................42 
1.6.2. Линейные дефекты кристаллов...........................................44 
1.6.3. Плоскостные (поверхностные) дефекты кристаллов ........48 
1.7. Формы роста кристаллов ............................................................49 
Контрольные вопросы........................................................................51 
2. Свойства материалов..........................................................................52 
2.1. Физические свойства...................................................................53 
2.1.1. Плотность..............................................................................53 
2.1.2. Тепловые свойства................................................................54 
2.1.3. Электрические свойства.......................................................55 
2.1.4. Механические свойства .......................................................57 
2.1.5. Зависимость твердости  и электрического 
сопротивления от состава сплавов в двойных системах.............76 
2.2. Технологические свойства..........................................................79 

2.3. Сопротивление коррозии............................................................81 
Контрольные вопросы........................................................................83 
3. Термическая обработка металлов  и сплавов...................................84 
3.1. Диффузия в металлических материалах....................................84 
3.2. Отжиг деформированного металла............................................86 
3.3. Закалка и старение цветных сплавов.........................................89 
3.4. Элементы термической обработки стали..................................95 
Контрольные вопросы........................................................................97 
Библиографический список...................................................................99 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Курс «Материаловедение» 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 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 году в 1912 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 в последующие 50 лет, 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 были в 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 и артиллерийских снарядов, ведь эта 
латунь, если ступы переплавить и изготовить листы, широко используется как патронная. 
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 же 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, иногда и превосходит этот уровень. 

Итак, для потребителя главное в материале – это его свойства (в 
сочетании с ценой). А свойства материала полностью зависят от его 
строения: от 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). 
Материаловедение – это наука о строении и свойствах материалов, о связи этих свойств с химическим составом и строением 
(структурой) материала. 
Материаловедение как наука возникло во второй половине ХIХ в. 
в связи с появившейся необходимостью удовлетворения потребностей быстро развивающейся техники, когда естественные базовые 
науки – химия и физика достигли высокого 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 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, к металлическим и неметаллическим. Как конкретно изменяются структура 
и свойства материалов в результате изменения химического состава, 
обработки давлением и/или термической обработки, будет рассмотрено в этом курсе.  

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 – NaCl (рис. 1.1). Атомный номер натрия в 
периодической системе элементов Д.И. Менделеева Z = 11. Это означает, что вокруг ядра с зарядом +11 на орбитах находятся одиннадцать электронов с суммарным зарядом −11 и в целом изолированный атом натрия электронейтрален, т.е. не имеет заряда.  

 

Рис. 1.1 

Атомный номер хлора Z = 17, т.е. вокруг ядра с зарядом +17 
на орбитах находятся 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 2 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, что все атомы стремятся или отдать, или приобрести столько электронов, 
сколько необходимо, 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 натрия, 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).  

Рис. 1.2 

Когда электрон 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 правого атома. Затем каждый электрон может 
возвратиться «во владение» к своему ядру. Процесс обмена электронами все время повторяется с громадной частотой – 1018с–1. Можно 
считать, что электроны принадлежат одновременно обоим атомам. 
Схематично можно представить, 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 
упрощенно объяснить так. 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 объяс

нить, 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. 

 

Рис. 1.3 

Типичный ковалентный кристалл – алмаз (рис. 1.3). Атом углерода имеет 4 электрона на внешней оболочке. Если атом углерода окружит себя четырьмя такими же атомами, причем с каждым соседом 
он будет связан общей электронной парой, то тогда этот атом достроит свою внешнюю оболочку до устойчивой электронной восьмерки. Эти связи показаны на рис. 1.3. 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 друг с другом 
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 (8N), 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 пятой группы – сурьмы, имеющей 
5 электронов на внешней оболочке, для образования устойчивой 
восьмерки необходимо связываться 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, V, VI и VII групп 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 валент

ных электрона, то у металлов I, II и III групп слишком мало валентных электронов, чтобы можно было образовать устойчивую восьмерку. Например, у алюминия имеются 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 один с другим 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 объяснить 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) высокая электропроводность металла, которая объясняется перемещением свободных электронов; 
3) высокая теплопроводность определяется тем же: тепловая энергия переносится 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 тоже время ковалентные кристаллы хрупки, так как локализованная