Материаловедение и технология материалов

À.Ì. Àäàñêèí, Â.Ì. Çóåâ

ÌÀÒÅÐÈÀËÎÂÅÄÅÍÈÅ
È ÒÅÕÍÎËÎÃÈß ÌÀÒÅÐÈÀËÎÂ

2-å èçäàíèå

Ðåêîìåíäîâàâíî Ó÷åáíî-ìåòîäè÷åññêèì ñîâåòîì Ó÷åáíî-ìåòîäè÷åñêîãî öåíòðà
ïî ïðîôåññèîíàëüíîìó îáðàçîâàâíèþ Äåïàðòàìåíòà îáðàçîâàâàíèÿ ãîðîäà Ìîñêâû
â êà÷åñòâå ó÷åáíîãî ïîñîáèÿ äëÿ ñòóäåíòîâ îáðàçîâàòåëüíûõ ó÷ðåæäåíèé
ñðåäíåãî ïðîôåññèîíàëüíîãî îáðàçîâàíèÿ

2021

ÓÄÊ 620.2(075.32)
ÁÁÊ 30.3ÿ723

À31

Ðåöåíçåíòû:

äîêòîð õèìè÷åñêèõ íàóê, ïðîôåññîð êàôåäðû «Ìåòàëëîâåäåíèå

è òåðìîîáðàáîòêà» ÃÒÓ ÌÀÄÈ Ä.Ï. Øàøêîâ;

äîêòîð ïåäàãîãè÷åñêèõ íàóê, ïðîôåññîð, çàìåñòèòåëü äèðåêòîðà

Ó÷åáíî-ìåòîäè÷åñêîãî öåíòðà ïî ïðîôåññèîíàëüíîìó îáðàçîâàíèþ

ãîðîäà Ìîñêâû ïî íàó÷íî-ìåòîäè÷åñêîé ðàáîòå Í.Â. Êèñåëåâ;

äîêòîð òåõíè÷åñêèõ íàóê, ïðîôåññîð, çàâåäóþùèé êàôåäðîé «Òåõíîëîãèÿ

êîíñòðóêöèîííûõ ìàòåðèàëîâ» ÌÃÒÓ «ÌÀÌÈ» Â.Í. Àðçàìàñîâ

Àäàñêèí À.Ì.

À31
Ìàòåðèàëîâåäåíèå
è
òåõíîëîãèÿ
ìàòåðèàëîâ
:
ó÷åáíîå
ïîñîáèå
/

À.Ì. Àäàñêèí, Â.Ì. Çóåâ. — 2-å èçäàíèå. — Ì. : ÔÎÐÓÌ : ÈÍÔÐÀ-Ì,
2021. — 336 ñ. — (Ïðîôåññèîíàëüíîå îáðàçîâàíèå).

ISBN 978-5-91134-754-3 (ÔÎÐÓÌ)
ISBN 978-5-16-006739-1 (ÈÍÔÐÀ-Ì)

Ðàññìîòðåíî ñòðîåíèå ìåòàëëè÷åñêèõ, íåìåòàëëè÷åñêèõ è êîìïîçèöèîííûõ

ìàòåðèàëîâ, òåõíîëîãèè èõ ïðîèçâîäñòâà. Äàíû ìåòîäû èçó÷åíèÿ ñâîéñòâ ìàòåðèàëîâ, ìåòîäû è òåõíîëîãèè èçìåíåíèÿ ñâîéñòâ çà ñ÷åò òåðìè÷åñêîé, õèìèêî-òåðìè÷åñêîé îáðàáîòêè, ïëàñòè÷åñêîãî äåôîðìèðîâàíèÿ. Ïðèâåäåíû ðàçëè÷íûå òåõíîëîãèè ïîëó÷åíèÿ çàãîòîâîê è äåòàëåé — ëèòüå, ñâàðêà, îáðàáîòêà äàâëåíèåì, ðåçàíèå. Ðàññìîòðåíû îñíîâû òåõíîëîãèè íàíåñåíèÿ ãàëüâàíè÷åñêèõ
ïîêðûòèé, à òàêæå òåõíîëîãèè èçãîòîâëåíèÿ äåòàëåé èç íåìåòàëëè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ — ïëàñòè÷åñêèõ ìàññ è ðåçèí.

Äëÿ ñòóäåíòîâ ïðîôåññèîíàëüíîãî îáðàçîâàíèÿ. Ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàíî

ïðè ïîäãîòîâêå áàêàëàâðîâ, à òàêæå äëÿ íà÷àëüíîãî ïðîôåññèîíàëüíîãî îáðàçîâàíèÿ è ïîâûøåíèÿ êâàëèôèêàöèè, ðàáî÷èõ è ìàñòåðîâ.

ÓÄÊ 620.2(075.32)
ÁÁÊ 30.3ÿ723

ISBN 978-5-91134-754-3 (ÔÎÐÓÌ)
ISBN 978-5-16-006739-1 (ÈÍÔÐÀ-Ì)

© Àäàñêèí À.Ì., Çóåâ Â.Ì., 2009, 2013
© Èçäàòåëüñòâî «ÔÎÐÓÌ», 2009, 2013

Оглавление

Оглавление ............................................................................................................................3
Введение ...............................................................................................................................9

Часть I. СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЯ ИХ ПРОИЗВОДСТВА

Глава 1. ТИПЫ МЕЖАТОМНЫХ СВЯЗЕЙ И ИХ ВЛИЯНИЕ 
НА СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ. СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ ..................................11
1.1. Типы межатомных связей .....................................................................................11
1.2. Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов ...................................13
1.2.1. Идеальное строение металлов .....................................................................13
1.2.2. Полиморфные превращения в металлах ....................................................15
1.2.3. Строение реальных металлов ......................................................................16
1.3. Молекулярное строение полимеров ....................................................................18
1.4. Строение композиционных материалов ..............................................................19

Глава 2. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА 
МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ...............................................................................................21
2.1. Основы металлургического производства ..........................................................21
2.1.1. Материалы металлургического процесса ...................................................21
2.1.2. Технологии обогащения руд ........................................................................23
2.2. Получение слитков металлов и сплавов. Строение слитка ...............................24
2.2.1. Первичная кристаллизация (затвердевание) ..............................................24
2.2.2. Строение слитка ............................................................................................27
2.3. Обработка давлением в металлургическом производстве.................................28
2.3.1. Прокатка ........................................................................................................28
2.3.2. Прессование ..................................................................................................32
2.3.3. Волочение ......................................................................................................33

Глава 3.  ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ ...................................................................35
3.1. Получение порошков и приготовление смесей ..................................................35
3.2. Формование заготовок ..........................................................................................36
3.3. Спекание .................................................................................................................38
3.4. Особенности обработки спеченных заготовок ...................................................39

Глава 4.  ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ — ЧУГУНА И СТАЛИ .............40
4.1. Производство чугуна.............................................................................................40
4.1.1. Подготовка шихты ........................................................................................40
4.1.2. Выплавка чугуна ..........................................................................................................40
4.1.3. Продукция доменного производства ..........................................................44
4.2. Производство стали ...............................................................................................45
4.3. Разливка стали .......................................................................................................51
4.4. Технология производства сталей и сплавов особо высокого качества ............53

Оглавление

Глава 5.  ПРОИЗВОДСТВО ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ ...................................................57
5.1. Производство меди ................................................................................................57
5.2. Производство алюминия .......................................................................................61
5.3. Производство титана .............................................................................................63

Глава 6.  ПРОИЗВОДСТВО ПОЛИМЕРОВ ....................................................................65
6.1. Полимеризация полимеров ...................................................................................65
6.2. Поликонденсация полимеров ...............................................................................67
6.3. Технология синтеза полимеров ............................................................................68

Глава 7.  ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ
 МАТЕРИАЛОВ .................................................................................................................70
7.1. Производство упрочняющих компонентов .........................................................70
7.2. Производство композитов ....................................................................................72

Часть II. ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Глава 8.  МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ 
И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ...................................................................................76
8.1. Определение механических свойств металлов и сплавов .................................76
8.1.1. Определение предела прочности, предела текучести, 
относительного удлинения и сужения ..................................................................76
8.1.2. Определение твердости ................................................................................77
8.1.3. Испытания на усталость ..............................................................................80
8.1.4. Испытания на ползучесть ............................................................................81
8.1.5. Определение ударной вязкости и порога хладноломкости .......................82
8.1.6. Трещиностойкость ........................................................................................83
8.1.7. Испытания на износостойкость ..................................................................84
8.2. Определение механических свойств пластических масс 
и композиционных материалов ...................................................................................86

Глава 9.  ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ .......................................................................90
9.1. Общие сведения (терминология) .........................................................................90
9.2. Типы сплавов. Диаграммы состояния .................................................................91
9.2.1. Типы сплавов ................................................................................................91
9.2.2. Диаграммы состояния сплавов ....................................................................93
9.3. Диаграммы состояния сплавов, упрочняемых термической обработкой ......100

Глава 10.  ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО — ЦЕМЕНТИТ. 
СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА И УГЛЕРОДА ................................................................................102
10.1. Диаграмма состояния Fe — Fe3C .....................................................................102
10.2. Структура сплавов системы Fe — Fe3C ..........................................................105

Глава 11.  ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ..................................................107
11.1. Виды термической обработки ..........................................................................107
11.2. Превращения в сталях при нагреве .................................................................107

Оглавление

11.3. Превращения сталей при охлаждении. Диаграмма изотермического 
превращения аустенита ..............................................................................................109
11.4. Технология объемной термической обработки ..............................................113
11.4.1. Отжиг и нормализация .............................................................................113
11.4.2. Закалка .......................................................................................................115
11.4.3. Отпуск и старение.....................................................................................117
11.5. Поверхностное упрочнение ..............................................................................119
11.5.1. Химико-термическая обработка ..............................................................120
11.5.2. Поверхностная закалка .............................................................................125
11.6. Среды для нагрева и охлаждения при термической обработке ....................128
11.6.1. Нагревающие среды .................................................................................128
11.6.2. Охлаждающие среды ................................................................................129

Глава 12.  СТАЛИ .............................................................................................................131
12.1. Примеси сталей и их влияние на свойства .....................................................131
12.2. Классификация сталей по качеству .................................................................132
12.3. Маркировка сталей ............................................................................................132
12.4. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей ...............134
12.5. Стали общетехнического назначения ..............................................................138

Глава 13.  ЧУГУНЫ .........................................................................................................143
13.1. Классификация чугунов ....................................................................................143
13.2. Белые и отбеленные чугуны .............................................................................143
13.3. Чугуны с графитом ............................................................................................144
13.4. Термическая обработка чугуна ........................................................................148

Глава 14.  МАТЕРИАЛЫ СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ ..........................151
14.1. Стали, устойчивые против коррозии ...............................................................151
14.2. Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы ................................................154
14.3. Стали и сплавы с особыми магнитными свойствами ....................................155
14.4. Материалы с особыми электрическими свойствами .....................................157
14.5. Сплавы с особыми упругими свойствами .......................................................158
14.6. Износостойкие стали ........................................................................................159
14.7. Высокопрочные стали .......................................................................................159
14.8. Сплавы с «памятью» .........................................................................................160

Глава 15.  ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ ............................................................162
15.1. Медь и сплавы на ее основе .............................................................................162
15.2. Алюминий и сплавы на его основе ..................................................................164
15.3. Титан и сплавы на его основе ..........................................................................166
15.4. Баббиты ..............................................................................................................167

Глава 16.  ПОЛИМЕРЫ И ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ ..............................................169
16.1. Температурные зависимости свойств полимеров ..........................................169
16.2. Пластические массы..........................................................................................173
16.2.1. Состав и классификация пластических масс .........................................173

Оглавление

16.2.2. Термопластичные пластмассы.................................................................174
16.2.3. Термореактивные пластмассы .................................................................175
16.2.4. Газонаполненные пластмассы .................................................................177
16.3. Эластомеры (каучуки), резины.........................................................................178
16.4. Пленкообразующие материалы, клеи, герметики, лаки, краски ...................179
16.5. Область рационального применения пластмасс.............................................182

Глава 17.  КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ........................................................184
17.1. Дисперсно-упрочненные композиты ...............................................................184
17.2. Волокнистые композиционные материалы .....................................................185
17.2.1. Характер разрушения и прочностные характеристики 
композитов .............................................................................................................186
17.2.2. Материалы матриц волокнистых композитов ........................................188
17.2.3. Армирующие компоненты композиционных материалов ....................189
17.3. Область рационального применения композиционных материалов ............190

Часть III.  ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК И ДЕТАЛЕЙ

Глава 18.  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ............194
18.1. Технологические требования к материалам 
для литья (литейным сплавам) ..................................................................................195
18.2. Обрабатываемость материалов давлением. 
Холодная и горячая обработка давлением ...............................................................196
18.3. Свариваемость металлов ..................................................................................201
18.4. Обрабатываемость резанием ............................................................................204

Глава 19.  ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО ....................................................................206
19.1. Основы литья .....................................................................................................206
19.2. Литье в одноразовые формы ............................................................................206
19.2.1. Литье в песчаные формы .........................................................................206
19.2.2. Литье по выплавляемым моделям ...........................................................213
19.2.3. Литье в оболочковые формы ...................................................................215
19.3. Литье в многоразовые формы ..........................................................................217
19.3.1. Литье в кокиль ..........................................................................................218
19.3.2. Литье под давлением ................................................................................219
19.3.3. Центробежное литье .................................................................................221
19.4. Электрошлаковое литье ....................................................................................222
19.5. Оборудование литейных производств .............................................................223

Глава 20.  ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ .........................................................................225
20.1. Основы обработки давлением ..........................................................................225
20.2. Горячая обработка давлением ..........................................................................226
20.2.1. Нагрев заготовок .......................................................................................226
20.2.2. Ковка ..........................................................................................................228
20.2.3. Штамповка ................................................................................................229
20.3. Холодная обработка давлением .......................................................................235

Оглавление

20.3.1. Листовая штамповка .................................................................................235
20.3.2. Объемная штамповка ...............................................................................237
20.4. Материалы для штампового инструмента ......................................................239
20.5. Оборудование для обработки давлением ........................................................242

Глава 21.  СВАРКА ..........................................................................................................244
21.1. Классификация видов сварки ...........................................................................244
21.2. Сварка плавлением ............................................................................................244
21.2.1. Структура сварного соединения при сварке плавлением. 
Термическая обработка сварных заготовок ........................................................245
21.2.2. Электродуговая сварка .............................................................................246
21.2.3. Электрошлаковая сварка ..........................................................................249
21.2.4. Газовая сварка ...........................................................................................250
21.2.5. Сведения об электронно-лучевом, ионно-лучевом 
и лазерном нагреве для сварки ............................................................................251
21.3. Термомеханические и механические методы сварки .....................................252
21.4. Резка металлов ...................................................................................................255

Глава 22.  ПАЙКА И СКЛЕИВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ ................................................258
22.1. Пайка металлов ..................................................................................................258
22.1.1. Технология пайки .....................................................................................258
22.1.2. Обработка деталей после пайки ..............................................................262
22.2. Склеивание материалов ....................................................................................263

Глава 23.  ОБРАБОТКА РЕЗАНИЕМ .............................................................................266
23.1. Особенности обработки резанием ...................................................................266
23.2. Основы обработки резанием ............................................................................266
23.2.1. Геометрические параметры режущего инструмента .............................266
23.2.2. Режимы резания ........................................................................................270
23.2.3. Процесс резания .......................................................................................272
23.3. Оценка точности обработки и качества поверхности ....................................276
23.3.1. Точность размеров и формы ....................................................................276
23.3.2. Оценка качества поверхности .................................................................282
23.4. Инструментальные материалы .........................................................................285
23.4.1. Материалы для лезвийного инструмента ...............................................285
23.4.2. Материалы абразивных инструментов ...................................................293
23.5. Технология обработки на металлорежущих станках .....................................295
23.5.1. Технология лезвийной обработки ...........................................................295
23.5.2. Абразивная обработка ..............................................................................304
23.6. Металлорежущие станки ..................................................................................308

Глава 24.  ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ 
МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ................................................................................................311
24.1. Электроэрозионная обработка .........................................................................311
24.2. Электрохимическая обработка .........................................................................313
24.3. Анодно-механическая обработка .....................................................................314

Оглавление

24.4. Ультразвуковая обработка.................................................................................315
24.5. Лучевая обработка .............................................................................................316
24.6. Плазменная обработка ......................................................................................317

Глава 25.  ТЕХНОЛОГИЯ НАНЕСЕНИЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ ........318
25.1. Физико-химические основы нанесения гальванических покрытий ............318
25.2. Подготовка поверхностей под покрытие ........................................................318
25.2.1. Требования к поверхностям .....................................................................318
25.2.2. Технология подготовки поверхности ......................................................319
25.3. Технология нанесения покрытий .....................................................................320
25.3.1. Влияние технологии нанесения покрытий 
на качество поверхности ......................................................................................320
25.3.2. Гальванические покрытия. Свойства. Область применения ................322

Глава 26.  ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПЛАСТИЧЕСКИХ МАСС 
И РЕЗИНЫ ........................................................................................................................327
26.1. Особенности изготовления деталей из пластических масс и резины ..........327
26.2. Технология изготовления изделий из пластических масс .............................327
26.3. Технология изготовления изделий из резины .................................................331
26.4. Штамповка и обработка резанием пластмасс и резины ................................332

Список литературы ..........................................................................................................334

Введение

История цивилизации связана с материалами. Материалы дали названия 
целым историческим эпохам — каменный век, бронзовый век, железный век.
На самых ранних этапах развития человечества рождались металлургические технологии. Сначала использовали металлы, встречающиеся в природе 
в самородном виде, — медь. В IV в. до н. э. уже использовали сплавы меди с 
другими металлами — бронзы, т. е. уже была создана технология металлургического производства.
Наряду с получением различных материалов важнейшими этапами истории человечества является развитие технологий их обработки, т. е. получение из этих материалов изделий, необходимых для жизни. На ранних этапах 
изделия производились индивидуально, в рамках натурального хозяйства. 
Затем возникло разделение труда, появились ремесленники. Знания ремесла 
передавались от отца к сыну, от мастера к ученику и были недоступны для 
посторонних.
Переход от ремесленничества к промышленному производству был невозможен без создания научной базы — науки о материалах и методах их 
обработки.
Мощным побудительным мотивом развития материаловедения и технологии металлов как наук стала промышленная революция. В середине XIX в. 
был освоен мартеновский метод производства стали, а к концу века — конвертерный. Большие объемы выпускаемого металла потребовали развития науки 
о металлах — металловедения и разработки производительных технологий 
его переработки. В середине XIX в. работами Д. К. Чернова, П. П. Аносова, 
Н. Т. Гудцова, А. Мартенса, Р. Аустена были заложены основы современного 
металловедения. В это же время развивались и науки о переработке металлов.
Развитие материалов и технологий их обработки взаимосвязано. Часто научные достижения в одной из этих областей приводят к открытию новых возможностей в другой области.
Прогресс техники требовал повышения производительности обработки — 
развивались производительные методы обработки давлением, резанием, литейного производства. Это, в свою очередь, определило необходимость создания 
новых высокопроизводительных инструментальных материалов, работоспособных при высоких температурах.
Были созданы быстрорежущие стали, твердые сплавы, режущая керамика, 
материалы на основе алмаза и нитрида бора. Это позволило резко увеличить 

Введение

скорость резания и повысить производительность обработки. При этом, получение твердых сплавов и керамики стало возможным только в результате 
разработки порошковой технологии производства материалов. Производство 
синтетических алмазов и нитрида бора не могло быть реализовано без мощного технологического прорыва — создания технологий высокого давления.
Появление электрохимических и электрофизических технологий позволило выполнять обработку, т. е. изготавливать изделия из материалов, которые 
раньше обработать было невозможно, например, обработка непластичных материалов высокой твердости, даже алмаза.
Таким образом, материаловедение и технология обработки материалов являются приоритетными науками, определяющими уровень развития цивилизации.

Часть I  
Строение материалов и технология их производства

Глава 1. 
ТИПЫ МЕЖАТОМНЫХ СВЯЗЕЙ И ИХ ВЛИЯНИЕ 
НА СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ. СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Типы межатомных связей

Между атомами в твердых телах действуют силы притяжения и отталкивания. Первые удерживают атомы вместе, при этом образуется целостный 
материал, вторые не дают атомам слиться. Твердые вещества существуют при 
равновесии сил притяжения и отталкивания.
Природа сил отталкивания одинакова во всех твердых веществах. Твердые 
вещества образуются, когда атомы сближаются так, что орбиты их внешних 
электронов перекрываются. При этом положительные заряды ядер атомов уже 
не полностью экранируются электронами, вследствие чего между одинаково 
заряженными ионами возникают силы отталкивания.
В отличие от сил отталкивания, имеющих одинаковую природу, природа 
сил притяжения различна, и именно она определяет свойства материала. Различают четыре вида межатомной связи: ионную, ковалентную, металлическую 
и силы Ван-дер-Ваальса.
Ионная связь присуща соединениям, образованным разнородными атомами. Внешние электроны атомов одного элемента переходят на внешние орбиты 
атомов другого элемента, образуя устойчивые электронные конфигурации.
В качестве типичного примера вещества с ионным типом связи можно привести поваренную соль — NaCl. Натрий принадлежит к I группе Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, на его внешней орбите 
находится один электрон. Хлор — элемент VII группы, на его внешней орбите расположено семь электронов. Переход одного электрона натрия на орбиту 
хлора приводит к образованию двух разнозаряженных ионов с устойчивой конфигурацией.
Положительный ион натрия получает устойчивую конфигурацию неона; 
отрицательный ион хлора — устойчивую конфигурацию аргона. Межатомные 
силы притяжения — электростатические, ионная связь является сильной.
В твердых веществах с ионной связью каждый положительный ион имеет своими ближайшими соседями ионы только отрицательные и, наоборот 
(рис. 1.1). Таким образом, атомы в веществе располагаются строго упорядоченно. Ионный тип связи характерен для соединений «металл — кислород» — 
оксидов (MgO, Al2O3, ZrO2). Они обладают весьма высокой твердостью.

Глава 1. Типы межатомных связей и их влияние на свойства материалов. Строение материалов  

Наиболее известный и широко распространенный материал с ионным типом 
связи — стекло, основой которого являются оксиды различных элементов.
Ковалентная связь устанавливается в результате образования устойчивых 
соединений путем обобществления атомами нескольких электронов. Примером такой связи может служить молекула хлора, образованная двумя атомами, 
имеющими каждый по семь электронов на внешней орбите. Устойчивая конфигурация, для которой характерно наличие восьми атомов на внешней орбите, образуется у каждого атома в результате обобществления одного из его 
электронов другим атомом (рис. 1.2).
Образование устойчивых конфигураций определяется правилом (8 – N), где 
N — число электронов на внешней орбите. 
Так, при образовании молекулы кислорода обобществляются два атома, поскольку 
на его внешней орбите находится шесть 
электронов.
Ковалентная связь характерна для многих кристаллических твердых тел. Например, алмаз — кристаллическая модификация 
углерода с ковалентной связью. Углерод имеет четыре валентных электрона. Образование 
алмаза осуществляется при обобществлении 
по одному электрону четырьмя атомами.
Материалы с ковалентным типом связи — углерод, 
германий, сурьма — образуют элементы IV–VI групп подгруппы В Периодической системы Д. И. Менделеева. Ковалентная связь характеризуется жесткой направленностью. 
Поэтому кристаллические вещества с ковалентной связью 
обладают высокой твердостью, высокими температурами 
плавления, но низкой пластичностью, например, углерод 
с кубической кристаллической решеткой — алмаз, нитрид 
бора.
Некоторые элементы этих групп могут образовывать 
слоистые вещества с молекулярно-ковалентными связями. 
В слое связь ковалентная, сильная, а связь между слоями 
в молекуле слабая, определяемая силами Ван-дер-Ваальса 
(графит — углерод, имеющий в отличие от алмаза не кубическую, а слоистую 
структуру).
Величина силы связи зависит от природы вещества. Так, она весьма велика 
у алмаза и значительно (на несколько порядков) слабее у полимеров.
Металлическая связь образуется вследствие того, что атомы металлов 
имеют небольшое количество (один или два) внешних (валентных) электронов, 
которые слабо связаны с ядром. При сближении атомов электроны, находящиеся на внешних оболочках, теряют связь со своими атомами, они коллективизируются, т. е. становятся достоянием всех атомов данного металла, образуя 

Рис. 1.1. Кристаллическая решетка NaCl

2,81Å

Cl–

Na+

Рис. 1.2. Молекула 
хлора (схема)

1.2. Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов

«электронный газ». Положительно заряженные ионы располагаются на таком 
расстоянии друг от друга, что силы притяжения между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными ионами уравновешиваются 
силами отталкивания между ионами.
Наличие электронного газа определяет такие важнейшие свойства металла, 
как высокие тепло- и электропроводность, пластичность, т. е. способность изменять форму без разрушения. Поэтому при изготовлении металлопродукции 
широко применяют методы пластического деформирования — ковку, прокат, 
волочение.
Силы Ван-дер-Ваальса возникают вследствие того, что атомы являются малыми диполями. Среднее во времени пространственное распределение 
электронов в атоме симметрично относительно ядер, но в каждый конкретный 
момент центр отрицательных зарядов может не совпадать с ядром, имеющим 
положительный заряд, что и образует диполь. Взаимодействие диполей приводит к появлению сил притяжения. Это взаимодействие несколько усиливается 
вследствие того, что наличие диполя, образованного одним атомом, способствует появлению диполя у соседнего атома.
Межатомное притяжение за счет сил Ван-дер-Ваальса существует всегда, 
наряду с прочими видами связи, т. е. во всех веществах. Однако эти силы слабы 
и их учитывают только при отсутствии более сильных связей других типов. 
Так, они важны для веществ со слоистой структурой, где связь между слоями 
осуществляется только за счет этих сил (например, графит). Эти силы также 
связывают большие органические молекулы — основу термопластичных полимеров (см. далее).

1.2. Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов

1.2.1. Идеальное строение металлов
Атомно-кристаллическое строение имеют наиболее распространенные 
конструкционные материалы — металлы и сплавы на их основе. Кроме того, 
такое строение присуще некоторым неметаллическим веществам с ковалентным или ионным типом связи. 
Атомно-кристаллическое строение характеризуется правильным, закономерным расположением атомов в пространстве. Атомы (или положительно 
заряженные ионы металлов), правильно расположенные в одной плоскости и 
соединенные воображаемыми линиями (они символизируют силы связи), образуют кристаллографическую плоскость. В ее узлах располагаются атомы, 
а воображаемые линии символизируют силы связи (рис. 1.3). Многократное 
повторение кристаллографических плоскостей в пространстве позволяет получить пространственную кристаллографическую решетку (рис. 1.4). Эта 
решетка сложна в изображении, поэтому представление об атомном строении 
кристаллов дается в виде элементарных кристаллических ячеек. Под элементарной кристаллической ячейкой понимают минимальный объем, дающий 
представление об атомной структуре металла в целом, а его повторение в пространстве образует кристаллографическую решетку.

Глава 1. Типы межатомных связей и их влияние на свойства материалов. Строение материалов  

Кристаллические ячейки характеризуются следующими основными параметрами: периодом решетки, координационным число, атомным радиусом, базисом (атомной плотностью).
Периодом решетки называется расстояние между центрами двух соседних 
частиц (атомов, ионов) в элементарной ячейке решетки. Периоды решетки измеряют в ангстремах (Å) или нанометрах (1 Å = 10–8 см; 1 НМ = 10–9 м).
Под атомным радиусом понимают половину 
межатомного расстояния между центрами ближайших атомов в кристаллической решетке.
Базисом решетки называется количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку 
решетки.
Простейшим типом кристаллического строения 
является кубическая решетка, в которой атомы расположены в углах куба (рис. 1.5). На ее примере покажем основные параметры решетки:
период решетки а;
базис решетки равен 1 (1/8·8 = 1 — каждый из 
атомов, расположенных в углах куба, принадлежит 
восьми элементарным ячейкам, т. е. на одну ячейку 
приходится 1/8 атома).
В простой кубической решетке атомы уложены 
(упакованы) недостаточно плотно. Стремление атомов занять места, наиболее близкие друг к другу, 
приводит к образованию новых типов решеток.
Для большинства металлов характерны следующие типы кристаллических решеток: кубическая 
объемно-центрированная (ОЦК, рис. 1.6, а); кубическая гранецентрированная (ГЦК, рис. 1.6, б); гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ, рис. 1.6, в).
В решетке ОЦК атомы расположены в углах 
куба и его центре. Период решетки равен а, базис 
решетки равен 2 (1/8·8 + 1 = 2; 8 — число атомов, 
расположенных в углах куба, 1 — атом в центре 
куба, принадлежащий только одной ячейке). Данный 
тип решетки имеют металлы К, Na, Li, Ta, W, Mo, 
α−Fe, Cr, Nb и др.
В решетке ГЦК атомы расположены в углах куба 
и центрах его граней, эта решетка характеризуется 
периодом а, базисом, равным 4 (1/8·8 + 1/2·6 = 4; восемь атомов в углах куба и шесть атомов в центрах 
граней, каждый из которых принадлежит двум элементарным ячейкам). Кубическую гранецентрированную решетку имеют следующие металлы: Ca, Pb, 
Ni, Ag, Au, Pt, γ-Fe и др.

Рис. 1.3. Кристаллографическая плоскость (схема)

Рис. 1.4. Пространственная 
кристаллографическая решетка (схема)

Рис. 1.5. Элементарная кристаллическая 
ячейка (простая 
кубическая)

a

a

a

a

a

a

1.2. Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов

В решетке ГПУ атомы расположены 
в вершинах и в центрах шестигранных 
оснований призмы, три атома находятся в средней плоскости призмы (см. 
рис. 1.6, в). Периоды решетки равны а и 
с, причем с/а 1 (например, с/а = 1,633 
для Ru, Cd и с/а > 1,633 для Mg, Zn), базис решетки равен 6.
В кристаллических решетках атомная плотность по различным плоскостям 
неодинакова — на единицу площади 
разных атомных плоскостей приходится 
неодинаковое количество атомов (сравним, например, для решетки ОЦК количество атомов в плоскости, совпадающей с гранью, и диагональной). Поэтому свойства в различных плоскостях и 
направлениях кристаллической решетки 
будут разными. Неодинаковость свойств 
по разным кристаллографическим направлениям называется анизотропией 
кристалла.
Технические металлы являются поликристаллическими веществами. Они 
состоят из большого количества мелких 
кристаллов, различно ориентированных 
по отношению друг к другу. Эти кристаллы вследствие условий кристаллизации имеют неправильную форму и называются зернами или кристаллитами. Произвольность ориентации каждого 
зерна приводит к тому, что в разных направлениях свойства усредняются и 
становятся примерно одинаковыми, т. е. поликристаллическое тело изотропно. 
Это явление называется квазиизотропией (ложной изотропией). Оно не наблюдается, если в каких-то направлениях кристаллы имеют одинаковую ориентировку (текстуру). Такая ориентированность создается в результате пластической деформации. В этом случае поликристаллический металл приобретает 
анизотропию свойств.

1.2.2. Полиморфные превращения в металлах
Для ряда металлов характерно явление полиморфизма — способность 
иметь различные типы кристаллической решетки. Так, при разных температурах, железо может иметь ОЦК или ГЦК решетку, кобальт — ГЦК или ГПЦ 
решетку, полиморфизм характерен и для других металлов.
Различные кристаллические формы одного и того же вещества называются полиморфными или аллотропными модификациями. Низкотемпературную 
модификацию обозначают α, а высокотемпературные — β, γ, δ и т. д. Превра
Рис. 1.6. Типы кристаллических решеток 
металлов: 
а — кубическая объемно-центрированная 
(ОЦК); б — кубическая гранецентрированная (ГЦК); в — гексагональная плотноупакованная (ГПУ)

a

a

c

a

a

б

в

Глава 1. Типы межатомных связей и их влияние на свойства материалов. Строение материалов  

щение одной модификации в другую с изменением кристаллической решетки 
называется полиморфным превращением. Полиморфные превращения происходят в результате нагрева или охлаждения, в чистых металлах при постоянной 
температуре, в сплавах — в интервале температур.

1.2.3. Строение реальных металлов
Реальное строение металлов значительно отличается от идеального. Под 
идеальным строением кристаллов подразумевается такое, при котором все 
атомы находятся строго в узлах кристаллической решетки (см. подразд. 1.2.1). 
Теоретическая прочность такого металла чрезвычайно высока. Теоретическую 
прочность при сдвиге (под действием касательных напряжений) можно определить по формуле
τсдв = G/(2π),

где G — модуль сдвига (Юнга). 
В соответствии с этой формулой теоретический предел прочности железа должен составлять примерно 13 000 МПа (для железа G = 80 000 МПа). 
В действительности же, прочность железа примерно в 100 раз меньше — 
150 МПа. Такое несоответствие объясняется различием теоретического и реального строения металлов.
Во-первых, технические металлы состоят из большого количества кристаллов (зерен), т. е. являются поликристаллическими. При этом кристаллы (зерна) в реальном металле не имеют правильной формы и идеально правильного 
расположения атомов. Во-вторых, даже в самих поликристаллах имеются различного рода несовершенства. 
Различают точечные, линейные и поверхностные несовершенства кристаллического 
строения.
Точечные несовершенства 
малы во всех трех измерениях. К ним относят вакансии, 
междоузельные 
(дислоцированные) атомы (рис. 1.7). 
Образование точечных несовершенств связано с диффузионным перемещением атомов 
под действием тепловых колебаний. С повышением температуры металла число вакансий растет. Точечные дефекты оказывают влияние на некоторые физические свойства металлов 
(электропроводность, магнитные свойства и т. д.), а также на фазовые превращения в металлах и сплавах.
Линейные несовершенства имеют малые размеры в двух измерениях и 
большую протяженность в третьем измерении. Эти несовершенства называются дислокациями. Дислокации образуются в процессе кристаллизации и, 

Рис. 1.7. Схема точечных дефектов: 
а — дислоцированный атом; б — вакансия

а 
б