Материаловедение

Глава 1 
 
7 
Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Российский федеральный ядерный центр –  
Всероссийский научно-исследовательский институт 
экспериментальной физики 
 
Саровский физико-технический институт НИЯУ «МИФИ» 
 
 
В. Н. Халдеев  
 
 
 
 
 
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 
 
 
 
Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию 
в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве 
учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлениям подготовки бакалавров и магистров «Технология, оборудование 
и автоматизация машиностроительных производств» и дипломированных 
специалистов «Конструкторско-технологическое обеспечение 
машиностроительных производств». 
  
2-е издание, переработанное и дополненное 
 
 
 
 
 
Саров 
2019 
 

Часть I. Теория сплавов 
 
8 
 
УДК 669.017 (075.8) 
ББК 34.2я73 
         X17 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы :   А. К. Чернышев, д-р физ.-мат. наук, профессор 
 
 
      А. Б. Лоскутов, д-р техн. наук, профессор 
 
 
           Халдеев, В. Н.  
Х17        Материаловедение : учебник для вузов / В. Н. Халдеев. – 2-е изд.,  
           доп. и перераб. – Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2019. – 437 с., ил. 
 
ISBN 978-5-9515-0408-1 
 
 
 
 
Учебник предназначен для машиностроительных 
специальностей вузов. Рассмотрены вопросы строения 
и свойств металлов и металлических сплавов, а также вопросы 
термической обработки. Значительное внимание 
уделено металлам и сплавам атомной энергетики, а также 
неметаллическим материалам. 
 
 
УДК 669.017 (075.8) 
ББК 34.2я73 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9515-0408-1 
 
© Халдеев В. Н., 2010 
 
 
 
 
 
© Халдеев В. Н., 2019, с изменениями 
 
 
 
 
 
© ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2019 
 

 
 
 
 
 
СОДЕРЖАНИЕ 
 
 
Введение ..................................................................................................... 10 
Часть I. ТЕОРИЯ СПЛАВОВ 
 
Глава 1. Строение и свойства металлов................................................... 11 
1.1. Атомное строение металлов.................................................... 11 
1.2. Межатомная связь .................................................................... 13 
1.3. Кристаллическое строение металлов ..................................... 16 
1.4. Кристаллографические обозначения атомных плоскостей.. 20 
1.5. Строение реальных кристаллов. Дефекты в кристаллах...... 23 
1.6. Процессы плавления и кристаллизации................................. 28 
1.6.1. Плавление металлов ....................................................... 28 
1.6.2. Энергетические условия процесса кристаллизации.... 28 
1.6.3. Механизм и законы процесса кристаллизации............ 32 
1.6.4. Строение металлического слитка.................................. 34 
1.6.5. Полиморфные превращения .......................................... 35 
1.6.6. Магнитные превращения ............................................... 38 
1.7. Пластическая деформация и рекристаллизация металлов ... 39 
1.7.1. Пластическая деформация ............................................. 40 
1.7.2. Возврат и рекристаллизация.......................................... 43 
Глава 2. Методика исследования структуры, фазового состава  
и механических характеристик металлов и сплавов .............................. 
 
46 
2.1. Исследование макроструктуры............................................... 46 
2.2. Микроструктурный анализ...................................................... 47 
2.3. Рентгеновский и другие методы анализа............................... 54 
2.4. Механические свойства металлов........................................... 60 
2.4.1. Методы механических испытаний металлов ............... 61 
2.4.2. Испытание на растяжение.............................................. 61 
 

Содержание 
 
4 
2.4.3. Испытание на твердость................................................
65 
2.4.4. Определение ударной вязкости ....................................
69 
2.4.5. Испытание на усталость ................................................
70 
2.4.6. Испытания при повышенных температурах................
71 
Глава 3. Строение и свойства сплавов ....................................................
73 
3.1. Общая характеристика сплавов..............................................
73 
3.2. Твердые растворы....................................................................
74 
3.3. Химические соединения..........................................................
75 
3.4. Эвтектики .................................................................................
78 
Глава 4. Диаграммы состояния систем ...................................................
79 
4.1. Основные сведения..................................................................
80 
4.2. Правило фаз..............................................................................
80 
4.3. Диаграмма состояния сплавов, не растворяющихся друг  
в друге в твердом состоянии....................................................................
 
82 
4.4. Правило отрезков.....................................................................
86 
4.5. Диаграмма состояния сплавов, образующих  
неограниченные твердые растворы.........................................................
 
87 
4.6. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной  
растворимостью в твердом состоянии ....................................................
 
90 
4.7. Диаграмма состояния сплавов, образующих  
химические соединения............................................................................
 
96 
4.8. Диаграммы состояния сплавов, компоненты которых  
обладают полиморфизмом .......................................................................
 
99 
4.9. Диаграммы состояния сплавов из трех компонентов .......... 102
4.10. Связь между свойствами сплавов и типом  
диаграммы состояния ...............................................................................
 
108
Часть II. ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ  
И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ 
 
Глава 5. Железоуглеродистые сплавы..................................................... 110
5.1. Железо....................................................................................... 110
5.2. Углерод ..................................................................................... 112
5.3. Фазы железоуглеродистых сплавов....................................... 114
5.4. Диаграмма состояния «железо – углерод»............................ 114

Содержание 
 
5 
5.5. Углеродистые стали ................................................................. 123 
5.5.1. Влияние углерода и постоянных примесей  
на структуру и свойства стали.................................................................. 
 
124 
5.5.2. Классификация и маркировка углеродистых сталей... 127 
5.6. Чугуны....................................................................................... 136 
5.6.1. Характерные особенности чугунов............................... 136 
5.6.2. Процесс графитизации ................................................... 137 
5.6.3. Структура и свойства чугуна......................................... 142 
5.6.4. Классификация и маркировка чугунов......................... 144 
5.6.5. Легированные чугуны .................................................... 149 
Глава 6. Теория термической обработки стали....................................... 151 
6.1. Разновидности термической обработки стали....................... 152 
6.1.1. Образование аустенита................................................... 153 
6.1.2. Распад аустенита при охлаждении................................ 156 
6.1.3. Мартенситное превращение .......................................... 162 
6.1.4. Промежуточное (бейнитное) превращение.................. 167 
6.1.5. Превращения при нагреве закаленной стали ............... 168 
6.2. Влияние термической обработки на свойства стали ............ 171 
Глава 7. Технология термической обработки стали............................... 172 
7.1. Нагрев при термической обработке........................................ 173 
7.2. Контроль температурного режима ......................................... 173 
7.3. Отжиг и нормализация............................................................. 176 
7.4. Закалка....................................................................................... 179 
7.4.1. Определение температуры нагрева под закалку.......... 180 
7.4.2. Время нагрева.................................................................. 181 
7.4.3. Воздействие нагревающей среды.................................. 182 
7.4.4. Закалочные среды........................................................... 183 
7.4.5. Прокаливаемость ............................................................ 186 
7.4.6. Внутренние напряжения ................................................ 187 
7.4.7. Способы закалки............................................................. 188 
7.4.8. Дефекты, возникающие при закалке............................. 190 
7.5. Обработка стали холодом........................................................ 191 

Содержание 
 
6 
7.6. Отпуск стали ............................................................................ 191
7.7. Поверхностная закалка............................................................ 193
Глава 8. Химико-термическая обработка стали..................................... 195
8.1. Назначение и физические основы химико-термической 
обработки ...................................................................................................
 
195
8.2. Цементация стали .................................................................... 197
8.3. Азотирование стали................................................................. 201
8.4. Цианирование стали ................................................................ 203
8.5. Диффузионная металлизация ................................................. 205
Часть III. РАЗНОВИДНОСТИ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ 
 
Глава 9. Легированные стали и сплавы................................................... 209
9.1. Необходимость легирования стали........................................ 209
9.2. Общая характеристика легирующих элементов,  
их влияние на свойства стали ..................................................................
 
210
9.3. Фазы и структурные составляющие легированных сталей. 216
9.4. Влияние легирующих элементов на фазовые  
превращения в стали.................................................................................
 
218
9.5. Особенности термической обработки  
легированных сталей ................................................................................
 
221
9.6. Классификация и маркировка легированных сталей ........... 222
9.7. Маркировка зарубежных сталей ............................................ 225
Глава 10. Конструкционные стали .......................................................... 229
10.1. Влияние легирующих элементов и структуры  
на механические свойства стали..............................................................
 
230
10.2. Термическая обработка конструкционных сталей............. 231
10.3. Цементуемые стали ............................................................... 232
10.4. Улучшаемые стали................................................................. 235
10.5. Пружинные стали .................................................................. 237
10.6. Шарикоподшипниковые стали............................................. 239
10.7. Высокопрочные стали ........................................................... 240
10.8. Износостойкие стали............................................................. 244
10.9. Коррозионно-стойкие стали и сплавы................................. 246
10.10. Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы .................. 253

Содержание 
 
7 
Глава 11. Инструментальные стали и сплавы......................................... 262 
11.1. Классификация инструментальных сталей и сплавов........ 263 
11.2. Стали для режущего инструмента........................................ 263 
11.3. Стали для мерительного инструмента.................................. 269 
11.4. Штамповые стали................................................................... 270 
11.5. Твердые сплавы ...................................................................... 272 
Глава 12. Стали и сплавы с особыми свойствами .................................. 274 
12.1. Магнитные и немагнитные стали и сплавы......................... 274 
12.2. Электротехнические материалы ........................................... 279 
12.3. Сплавы с особыми тепловыми свойствами ......................... 281 
Часть IV. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ 
 
Глава 13. Алюминий и его сплавы........................................................... 283 
13.1. Свойства алюминия................................................................ 284 
13.2. Алюминиевые сплавы............................................................ 286 
13.2.1. Деформируемые сплавы, не упрочняемые  
термической обработкой........................................................................... 
 
287 
13.2.2. Деформируемые сплавы, упрочняемые  
термической обработкой........................................................................... 
 
288 
13.2.3. Литейные алюминиевые сплавы ................................. 291 
Глава 14. Магний и его сплавы ................................................................ 295 
14.1. Свойства магния..................................................................... 295 
14.2. Сплавы на основе магния ...................................................... 295 
Глава 15. Медь и ее сплавы....................................................................... 298 
15.1. Свойства меди......................................................................... 298 
15.2. Латуни...................................................................................... 300 
15.3. Бронзы ..................................................................................... 305 
Глава 16. Титан и его сплавы.................................................................... 312 
16.1. Свойства титана...................................................................... 314 
16.2. Сплавы на основе титана....................................................... 314 
Глава 17. Тугоплавкие металлы и сплавы на их основе ........................ 319 
17.1. Основные свойства тугоплавких металлов.......................... 319 
17.2. Сплавы на основе тугоплавких металлов ............................ 322 

Содержание 
 
8 
Часть V. МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ АТОМНОЙ  
ЭНЕРГЕТИКИ 
 
Глава 18. Основные материалы атомной энергетики............................ 325
18.1. Атомная энергетика, ее разновидности и применение ...... 326
18.2. Общая характеристика металлов, применяемых  
в атомной энергетики................................................................................
 
329
18.2.1. Уран............................................................................... 329
18.2.2. Плутоний....................................................................... 337
18.2.3. Галлий ........................................................................... 350
18.2.4. Полоний......................................................................... 353
18.2.5. Цирконий ...................................................................... 355
18.2.6. Бериллий ....................................................................... 361
18.2.7. Бор.................................................................................. 367
Часть VI. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 
 
Глава 19. Полимеры.................................................................................. 371
19.1. Пластические массы .............................................................. 374
19.2. Классификация пластмасс .................................................... 375
19.3. Разновидности пластмасс, их свойства и применение....... 376
19.3.1. Ненаполненные пластмассы ....................................... 376
19.3.2. Пластмассы с порошкообразными наполнителями.. 385
19.3.3. Пластмассы с волокнистыми наполнителями........... 386
19.3.4. Пластмассы со слоистыми наполнителями ............... 387
19.3.5. Газонаполненные пластмассы .................................... 390
Глава 20. Резины........................................................................................ 391
20.1. Классификация резин............................................................ 394
Глава 21. Керамические материалы ........................................................ 395
21.1. Механические свойства......................................................... 396
21.2. Теплофизические свойства ................................................... 396
21.3. Электрофизические свойства ............................................... 397
21.4. Химические свойства ............................................................ 399
21.5. Стойкость к излучению......................................................... 400

Содержание 
 
9 
21.6. Особенности изготовления деталей из керамических 
материалов.................................................................................................. 
 
401 
21.7. Керамические материалы на основе  
огнеупорных окислов ................................................................................ 
 
407 
21.8. Пьезоэлектрическая керамика............................................... 414 
Глава 22. Стеклянные материалы............................................................. 419 
22.1. Основные свойства стекол..................................................... 419 
22.2. Закаленное стекло .................................................................. 420 
22.3. Пеностекло.............................................................................. 421 
22.4. Ситаллы................................................................................... 421 
22.5. Кварцевое стекло.................................................................... 422 
Глава 23. Композиционные материалы ................................................... 423 
23.1. Основные свойства и классификация  
композиционных материалов ................................................................... 
 
424 
23.2. Композиционные материалы с нуль-мерными  
наполнителями........................................................................................... 
 
426 
23.3. Композиционные материалы с одномерными  
наполнителями........................................................................................... 
 
428 
23.4. Эвтектические композиционные материалы....................... 429 
23.5. Композиционные материалы на неметаллической основе 430 
Список литературы.................................................................................... 435 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 1 
 
7 
 
 
 
 
 
Введение 
 
Создание новых материалов, отвечающих все возрастающим требо-
ваниям к качественным показателям изделий различного назначения, яв-
ляется важнейшей характеристикой научно-технического прогресса. Се-
годня новые материалы создаются на научной основе, поэтому одной из 
основополагающих дисциплин машиностроительных специальностей ву-
зов является материаловедение – наука, изучающая строение и свойства 
материалов.  
Все материалы, применяемые в машиностроении и других отраслях 
промышленности, принято делить на две основные группы: металличе-
ские и неметаллические. К металлическим материалам относятся металлы 
и их сплавы, причем их практическое значение неодинаково. Наиболее 
распространенными являются сплавы на основе железа, составляющие 
подгруппу черных металлов. Остальные металлы и их сплавы относятся 
к подгруппе цветных. Из сплавов цветных металлов широко применяются 
сплавы на основе меди, алюминия, магния, титана, никеля, вольфрама, 
молибдена. Все чаще в сплавах используют металлы атомной энергетики: 
уран, плутоний, цирконий, бериллий. 
Наряду с металлическими широко применяются и неметаллические 
материалы: керамика, резина, пластмассы и др. 
Свойства материалов обусловлены их кристаллическим строением 
и структурой. Большое влияние на структуру и, следовательно, свойства 
металла или сплава оказывает термическая обработка.  
Все эти вопросы, составляющие основу учебной дисциплины «Мате-
риаловедение», рассматриваются в данном издании. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 1. Строение и свойства металлов 
 
11 
 
 
 
 
 
Часть I. ТЕОРИЯ  СПЛАВОВ 
 
 
Глава 1. Строение  и  свойства  металлов 
 
1.1. Атомное  строение  металлов 
 
Кристаллическая структура и свойства металлов зависят от атомного 
строения – заряда ядра и строения электронных оболочек: количество 
электронов во внешних оболочках и распределение их по энергетическим 
уровням определяют характер взаимодействия между атомами элементов, 
т. е. характер химической связи.  
Атом, как известно, состоит из ядра и вращающихся вокруг него элек-
тронов. Так как атомное ядро окружено электронной оболочкой, то при 
химических реакциях, даже самых бурных, оно не претерпевает никаких 
изменений. Практически вся масса атома сконцентрирована в его ядре, со-
стоящем из протонов и нейтронов. Свободный атом является электрически 
нейтральной системой с суммарным зарядом протонов, уравновешенным 
суммарным зарядом электронов. Номер элемента в Периодической системе 
равен числу протонов в ядре атома (заряду ядра), а следовательно, и числу 
вращающихся вокруг ядра электронов. Атомная масса элемента – это сум-
ма масс протонов и нейтронов, составляющих ядро атома. 
Число протонов в ядре определяет номер элемента в Периодической 
системе. В этом смысле оно важнее, чем число электронов в атоме, ведь 
если оторвать от атома железа один из его 26 электронов, то атом превра-
тится в ион, но ион железа; если же удалить из ядра атома железа один из 
его 26 протонов, то новое ядро будет уже ядром атома  марганца.  
Электроны вращаются вокруг ядра по определенным круговым и эл-
липтическим орбитам, размеры, эксцентриситет и пространственное рас-
положение которых характеризуются первым (главным), вторым и треть-
им квантовыми числами. 
Первое (главное) квантовое число определяет номер электронной обо-
лочки и период в Периодической системе элементов. Оно может быть 
только целым числом: n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Соответствующие этим значе-
ниям электронные оболочки обозначают буквами: K, L, M, N, O, P, Q. 
 

Часть I. Теория сплавов 
 
12 
Второе квантовое число l характеризует эллиптичность орбиты 
и также может быть только целым: l = 0, 1, 2, …, (n – 1). Если отсутствует 
эксцентриситет, то l = 0, что соответствует круговой орбите. 
Третье (магнитное) квантовое число ml определяет пространственное 
расположение орбиты и связано с орбитальным магнитным моментом 
электрона, возникающим вследствие его движения вокруг ядра; ml при-
нимает все значения целых чисел в интервале от –l до +l. 
Существует и четвертое квантовое число, которое характеризует соб-
ственное вращение электрона, в результате чего возникает механический 
момент (спин) и магнитный момент. Оно принимает только два значения: 
+1/2 и –1/2. 
Электроны в атоме распределяются по энергетическим уровням (орбитам) 
и подуровням (орбиталям). Максимальное количество электронов 
N на энергетическом уровне с номером n определяется из зависимости  
N = 2n2. Энергия электронов тем выше, чем больше номер уровня n. 
Энергия электронов на энергетических уровнях подразделяется по 
подуровням (орбиталям) s, p, d, f. Максимальное количество электронов 
на подуровнях (орбиталях) следующее: s – 2; p – 6; d – 10; f – 14. Повышение 
энергии электронов на уровнях 1, 2, …, 7 и подуровнях s, p, d, f 
происходит в такой последовательности: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s 
→ 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d. 
В этой же последовательности происходит заполнение электронами энергетических 
уровней и подуровней. При этом энергия электронов на заполняемом 
уровне выше, чем на заполненном.  
Зная порядковый номер элемента и последовательность заполнения 
энергетических уровней, можно построить электронную модель атома 
элемента.  
Важнейшее значение для свойств элементов имеет полнота заполнения 
электронами внешних (валентных) орбиталей. Внешней орбиталью считает-
ся орбиталь, наиболее удаленная от ядра. В зависимости от количества элек-
тронов в атоме элемента может быть заполнено различное количество орбит 
и орбиталей. При этом валентными могут быть не только внешние электро-
ны, но и электроны предшествующей орбитали (подуровня).  
По характеру заполнения электронами внешних электронных орби-
талей (подуровней) металлы разделяют на две группы. 
Металлы, у которых электроны на d-подуровне отсутствуют (Li, Na, 
Ca, Al и др.) или у которых d-подуровень полностью заполнен (Cu, Zn, 
Cd, Ag и др.), называют простыми металлами. 

Глава 1. Строение и свойства металлов 
 
13 
В металлах 4–6-го периодов (от Sc до Ni, от V до Pd, от La до Pt) за-
полнение электронных уровней 3d, 4d и 5d, 4f и 5f происходит только пос-
ле того, как следующие за ними 4s-, 5s-, 6s-уровни уже заполнены. Эти 
металлы, имеющие частично заполненные d- или f-уровни, называют пе-
реходными. К числу переходных металлов относятся важнейшие конст-
рукционные металлы: Fe, Ni, Со, Cd, Eu, Tu, Ho. Недостроенные d-обо-
лочки определяют многие свойства таких металлов: способность образо-
вывать карбиды (в этом случае атом углерода отдает свои валентные 
электроны на достройку 3d-уровня), переменную валентность, склонность 
к полиморфизму, парамагнетизм и ферромагнетизм, большие силы сцеп-
ления в кристаллах, высокую температуру плавления и др. 
Электронную модель атома по энергетическому состоянию электро-
нов можно рассмотреть на примере атома Mg (№ 12). Конфигурация 
электронов магния запишется как 1s22s22p63s2. Запись означает, что 
на первом энергетическом уровне находятся 2 электрона, занимающие 
подуровень 1s; на втором уровне находятся 8 электронов, занимающие 
подуровни 2s (2 электрона) и 2р (6 электронов); на третьем уровне – 
2 электрона на подуровне 3s. Еще один пример – электронная конфигура-
ция 
атома 
плутония, 
которая 
выглядит 
следующим 
образом: 
1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d105f66s26p67s2. 
Электронное строение атомов, в основном строение внешних электрон-
ных уровней и подуровней, определяет такое свойство металлов, как элек-
тропроводность, а также тип связи между частицами вещества в твердом ма-
териале, от которого сильно зависят механические свойства материалов.  
На валентной орбите металлов находятся обычно 1–3 электрона, от-
носительно слабо связанные с ядром, что и определяет сравнительную 
легкость удаления их из оболочки атома, т. е. его ионизацию. Энергия, 
необходимая для удаления электрона из оболочки атома, называется ио-
низационным потенциалом. Это количественная характеристика метал-
лических свойств атома, зависящая от квантового состояния удаляемого 
электрона и заряда атома, из которого он удаляется. В целом металлы 
имеют сравнительно малый ионизационный потенциал (5–8 эВ), наи-
меньший имеют щелочные металлы, наибольший – благородные газы 
(He, Ne, Ar, Kr, Xe). 
 
1.2. Межатомная  связь 
 
Атомы в объеме металла расположены на таком расстоянии относи-
тельно друг друга, при котором различные силы, действующие на атом, 
находятся в равновесии. Этими силами являются, во-первых, силы при-

Часть I. Теория сплавов 
 
14 
тяжения между электронами и положительно заряженными ионами; во-
вторых, силы отталкивания между заполненными электронными оболоч-
ками положительно заряженных ионов; в-третьих, силы отталкивания 
между положительно заряженными ионами. Наличие указанных сил вы-
зывает возникновение межатомных связей. Различают четыре типа меж-
атомных связей: ионную, ковалентную, молекулярную и металлическую. 
Ионная связь возникает у разнородных атомов, т. е., как правило, меж-
ду типичными металлами и галоидами, когда металл отдает с внешней 
оболочки один или несколько электронов, а галоид принимает их на свою 
внешнюю оболочку. Образующиеся при этом положительно и отрица-
тельно заряженные ионы с завершенными внешними оболочками благо-
даря наличию сил электростатического происхождения взаимно притяги-
ваются друг к другу.  
Энергия притяжения ионов, находящихся друг от друга на расстоя-
нии r, равна 
2
п
0
,
4πε
q
U
r
= −
 
 
где q – заряд ионов, ε0 – диэлектрическая постоянная. 
Под действием силы притяжения ионы стремятся максимально при-
близиться друг к другу, однако этому препятствуют силы отталкивания, 
которые начинают проявляться на малых расстояниях и очень быстро 
растут с уменьшением этого расстояния. Энергию отталкивания Uот мож-
но определить как 
от
,
n
В
U
r
=
 
 
где В и n – постоянные. 
Результирующая энергия взаимодействия ионов 
 
2
0
.
4πε
n
В
q
U
r
r
=
−
 
 
При достаточно тесном сближении ионов их внутренние электрон-
ные оболочки приходят в соприкосновение, но их взаимного проникнове-
ния не происходит из-за ограничения, накладываемого принципом Паули, 
согласно которому только один электрон может занимать данное элек-
тронное состояние; поэтому возникают силы отталкивания.  
Ионная связь характерна только для ионных кристаллов, состоящих 
из разнородных атомов. Элементы ионной связью не обладают. Как пра-
вило, кристаллы с преимущественно ионными связями отличаются высо-

Глава 1. Строение и свойства металлов 
 
15 
кой температурой плавления, прочностью, твердостью и низким коэффи-
циентом термического расширения. Эти свойства указывают на большую 
прочность межатомной связи. Поскольку все электроны в ионных кри-
сталлах сосредоточены на атомных орбиталях отдельных атомов, они не 
могут принимать участие в проводимости, поэтому ионные кристаллы 
являются изоляторами. Однако характерным свойством ионных кристал-
лов является способность проводить ток в расплавленном состоянии за 
счет перемещения ионов. Ионную связь имеют NaCl, NaBr, HCl. 
Ковалентная (гомеополярная) связь наблюдается у некоторых газов 
(Cl2, F2), химических соединений (ZnS, InSB), твердых тел (алмаз). При 
ковалентной связи атомов внешние электронные оболочки завершаются 
в результате слияния двух или более атомов. Электронные пары принадлежат 
обоим атомам. В отличие от ионной все ковалентные связи, исходящие 
от данного атома, жестко связывают его с другими атомами, иными 
словами, ковалентные связи являются пространственно направленными. 
Подобные алмазу кристаллы, в которых присутствует только ковалентная 
связь, отличаются высокими температурой плавления, прочностью 
и твердостью. При этом они, подобно ионным кристаллам, являются 
изоляторами, так как все внешние электроны прочно связаны ковалентными 
связями. Однако эти два типа связи неидентичны, поскольку ионные 
кристаллы становятся проводниками при плавлении (перенос зарядов осуществляется 
с помощью ионов), а ковалентные кристаллы являются изоляторами 
как в твердом, так и в жидком состоянии. 
Молекулярная связь (вандерваальсовы силы) возникает вследствие смещения 
электрических зарядов в молекулах и атомах и появления в результате 
этого слабого электрического притяжения. Ее источником является поляризационный 
эффект, вызываемый влиянием поля электронов, движущихся 
вокруг ядра одного атома, на движение электронов вокруг ядра соседнего 
атома. В анизотропной молекуле этот эффект приводит к возникновению 
постоянного дипольного момента. Кристаллические соединения, атомы 
в которых соединены молекулярной связью, являются изоляторами. Этот 
тип межатомной связи характерен для инертных газов с завершенными электронными 
оболочками. Энергия связи невелика, поэтому молекулярные 
кристаллы имеют низкую температуру плавления и испарения. 
Металлическая связь возникает за счет сил притяжения между решеткой 
из положительно заряженных ионов и окружающим их «газом» 
свободных электронов, т. е. когда электроны находятся в квазисвободном 
состоянии. Положительно заряженные ионы, удерживаемые в состоянии 
равновесия свободными электронами, создают плотную, но пластичную 

Часть I. Теория сплавов 
 
16 
кристаллическую решетку. Свободная подвижность электронов обусловливает 
высокую электро- и теплопроводность металлов, оптическую непрозрачность 
и отражательную способность. Меньшая плотность заряда 
в металлической связи снижает ее прочность и направленность, в резуль-
тате чего кристалл легче деформируется, а это является характерным фи-
зическим свойством металлов. 
Тип связи определяется положением элементов в периодах и группах 
Периодической системы. Так, с уменьшением числа электронов на внеш-
ней оболочке и ослаблением их притяжения ядром происходит усиление 
связи металлического типа. С увеличением числа электронов на внешней 
оболочке до 4–7 и с усилением их притяжения ядром происходит усиле-
ние связи ковалентного типа. Все типы связей возникают в результате 
обмена или объединения валентных электронов. 
 
1.3. Кристаллическое  строение  металлов 
 
Всякое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: 
твердом, жидком и газообразном. В чем же основное различие между 
этими состояниями? 
В газах нет никакой закономерности расположения частиц (атомов, 
молекул), они двигаются хаотически, отталкиваясь друг от друга, и газ 
стремится занять возможно больший объем. 
В жидкостях частицы сохраняют лишь так называемый ближний по-
рядок, т. е. небольшое число частиц закономерно располагается в про-
странстве. Кроме того, ближний порядок неустойчив: он то возникает, то 
пропадает под действием энергичных тепловых колебаний. 
В твердых телах атомы располагаются в определенном, закономер-
ном порядке, силы взаимного притяжения и отталкивания уравновешены, 
и твердое тело сохраняет свою форму. В этом и заключается основное от-
личие между газообразным, жидким и твердым состояниями. 
Атомы твердого тела стремятся к такому расположению в простран-
стве, чтобы энергия их взаимодействия была минимальной. Этому соот-
ветствует определенный порядок в пространственном размещении час-
тиц, определяемый понятием кристаллической решетки.  
Кристаллическая решетка – воображаемая пространственная сетка,  
в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое (кристал-
лическое) тело. В кристаллической решетке из минимального количества 
частиц выделяется элемент объема, многократным переносом (трансля-
цией) которого в пространстве можно построить весь кристалл. Такой 
элементарный объем, характеризующий особенности строения данного 
типа кристалла, называется элементарной ячейкой.