Структура материалов и методы ее исследования. Кристаллизация материалов. Двойные сплавы

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

О. В. Селиванова, О. А. Оленева, С. В. Беликов

Структура материалов  
и методы ее исследования.
Кристаллизация материалов.
Двойные сплавы

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся 
по направлениям: 22.03.02 «Металлургия» 
и 22.03.01 «Материаловедение 
и технологии материалов»

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2017

УДК 669.017.12(075.8)
ББК 34.232я73
          С29
Рецензенты:
заместитель директора по научной работе проф., д‑р техн. наук В. П. Швей‑
кин (Институт машиноведения УрО РАН);
доц., канд. техн. наук Е. П. Воробьева (проф. кафедры пожарной безопасно‑
сти в строительстве ФГБОУ ВО «Уральский институт ГПС МЧС России»)

Научный редактор — проф., д‑р техн. наук А. А. Попов

 
Селиванова, О. В.
С29    Структура материалов и методы ее исследования. Кристаллизация мате‑
риалов. Двойные сплавы / О. В. Селиванова, О. А. Оленева, С. В. Беликов. — 
Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 2017. — 108 с.

ISBN 978‑5‑7996‑2170‑4

Рассмотрены структура материалов и методы ее исследования. Изложены зако‑
ны кристаллизации чистых веществ, приведены различные типы диаграмм состояния 
двойных систем, описаны физическая природа фаз в сплавах, механизм и кинетика фа‑
зовых превращений, ликвация в сплавах и меры борьбы с ней.
Пособие предназначено для бакалавров, обучающихся по направлениям «Ме‑
таллургия», «Материаловедение и технологии материалов». Также может быть полез‑
но специалистам в области материаловедения, физики металлов, технологии получе‑
ния и обработки металлических материалов.

Библиогр.: 4 назв. Рис. 57.

УДК 669.017.12(075.8)
ББК 34.232я73

Учебное издание

Селиванова Ольга Владимировна, Оленева Ольга Аркадьевна, Беликов Сергей Владимирович

Структура материалов и методы ее исследования. Кристаллизация материалов. Двойные сплавы

Подписано в печать 29.09.2017. Формат 60×84/16. Бумага офсетная. Цифровая печать. Усл. печ. л. 6,3.
Уч.‑изд. л. 5,21. Тираж 50 экз. Заказ 178

Издательство Уральского университета 
Редакционно‑издательский отдел ИПЦ УрФУ
620049, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 5. Тел.: +7 (343) 375‑48‑25, 375‑46‑85, 374‑19‑41
E‑mail: rio@urfu.ru

Отпечатано в Издательско‑полиграфическом центре УрФУ
620083, Екатеринбург, ул. Тургенева, 4. Тел.: +7 (343) 358‑93‑06, 350‑58‑20, 350‑90‑13. 
Факс: +7 (343) 358‑93‑06. http://print.urfu.ru

ISBN 978‑5‑7996‑2170‑4 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2017

Введение

М

атериаловедение — наука, изучающая общие зако‑
номерности формирования структуры и свойств ма‑
териалов, а также особенности их изменения при 
различных воздействиях (механических, тепловых и др.). Ме‑
таллы и их сплавы являются самым обширным и универсаль‑
ным по применению классом материалов. Центральное место 
среди них занимают две группы сплавов железа — стали и чу‑
гуны. Производство стали превышает производство алюми‑
ния — второго после железа металла по масштабам производ‑
ства и применения — в несколько десятков раз.
Как всякая наука, материаловедение представляет собой со‑
вокупность знаний, полученных расчетным и эксперименталь‑
ным путем, которые позволяют сделать обобщения и выводы, 
а также предвидеть пути развития науки о материалах.
Теоретической основой материаловедения являются соот‑
ветствующие разделы физики и химии, однако наука о матери‑
алах развивается в основном экспериментальным путем.
Материаловедение является поистине интернациональной 
наукой — ее теоретические основы были заложены трудами уче‑
ных разных стран. Среди них необходимо выделить американ‑
ца Джозайю Уилларда Гиббса (1839–1903) — основоположни‑
ка физической химии.
Чернов Д. К. (1839–1921) открыл в 1868 г. критические точки 
в сталях, заложив тем самым научные основы термической об‑
работки. Значительный вклад в развитие металловедения внес‑

Введение

ла работа Д. К. Чернова (1878), посвященная изучению теории 
кристаллизации стального слитка. В 1884 г. Д. К. Чернов пер‑
вым обнаружил и описал линии скольжения на поверхности 
деформированной стали, называемые в настоящее время ли‑
ниями Чернова‑Людерса.
Значительный вклад в развитие материаловедения внесли 
русские ученые П. П. Аносов (1799–1851) и Д. И. Менделеев 
(1834–1907), англичанин У. Робертс‑Остен (1843–1902), немец 
А. Мартенс (1850–1914).
Основоположниками отечественного материаловедения стали 
С. С. Штейнберг, Н. А. Минкевич, Г. В. Курдюмов, А. А. Байков, 
А. М. Бочвар, А. А. Бочвар, К. П. Бунин, С. Т. Кишкин, В. Д. Са‑
довский, И. И. Сидорин, А. П. Гуляев и их последователи.
Условия работы современных машин и приборов выдви‑
гают требования прочности и стойкости материалов в широ‑
ком интервале температур — от минус 269 °С у сжиженного ге‑
лия до 1000 °С и выше при динамических нагрузках, в вакууме 
и в горячих потоках активных газов. Решение важнейших тех‑
нических задач, связанных с экономным расходом материа‑
лов, уменьшением массы машин и приборов во многом зависит 
от развития материаловедения. Непрерывный процесс созда‑
ния новых материалов для современной техники обогащает на‑
уку о материалах.
Несмотря на все более широкое использование неметалли‑
ческих материалов, металлы и сплавы останутся и в ближай‑
шем будущем основным конструкционным и инструменталь‑
ным материалом. Поэтому в пособии особое внимание уделено 
металлам.
За последние годы достигнуты большие успехи в разработке 
конструкционных материалов, применяемых в различных об‑
ластях техники. Современные методы исследования структуры 
и свойств позволяют прогнозировать долговечность и надеж‑
ность материалов при эксплуатации.

1. Структура материалов  
и методы ее исследования

Из 

всех известных в природе элементов большинство 
относится к металлам. Металлы, как правило, об‑
ладают высокими тепло‑ и электропроводностью 
и, вступая в химические соединения, отдают валентные элек‑
троны, приобретая положительный заряд (становятся ионами). 
Главная отличительная особенность металлов от неметаллов 
заключается в том, что им свойственна электронная проводи‑
мость, возрастающая с понижением температуры. У неметал‑
лов с понижением температуры наблюдается уменьшение элек‑
тропроводности (рис. 1.1).

              а                                                   б

Рис. 1.1. Схема температурной зависимости электросопротивления:

а — металлы; б — неметаллы

Температура

Электросопротивление

1. Структура материалов и методы ее исследования 

Металлы обладают термоэлектронной эмиссией (способно‑
стью испускать электроны при нагреве), металлическим бле‑
ском, хорошей пластичностью. Эти свойства металлов объяс‑
няются наличием у них так называемой металлической связи, 
сущность которой сводится к следующему: известно, что атом 
состоит из положительно заряженного ядра и движущихся во‑
круг него электронов. Электроны, находящиеся на наружной 
электронной оболочке атомов (валентные), слабо связаны 
с ядром, легко отрываются и свободно перемещаются между 
образовавшимися при отрыве электрона положительно заря‑
женными ионами, образуя электронный газ.
Характерным является то, что эти внешние электроны 
не принадлежат какому‑то определенному атому, а становят‑
ся общими, коллективизированными, принадлежащими це‑
лому комплексу атомов.
Коллективизированные электроны движутся в самых раз‑
личных направлениях, и потому в нейтральном кристалличе‑
ском металле нет направленного потока и результирующего 
переноса электричества. Но под влиянием даже небольшой раз‑
ности потенциалов коллективизированные электроны начнут 
перемещаться от отрицательного полюса к положительному, 
т. е. возникнет электрический ток.
Высокая пластичность металлов объясняется тем, что в про‑
цессе пластической деформации при смещении одной части 
кристалла относительно другой благодаря наличию электрон‑
ного газа не происходит нарушения связи между ионами.
Некоторые металлы, например железо, марганец, титан, оло‑
во, кобальт и др., обладают полиморфизмом, т. е. в зависимо‑
сти от температуры существуют в разных модификациях, имеют 
различную кристаллическую решетку. В чистых металлах поли‑
морфные превращения протекают при постоянной температу‑
ре, при этом уровень свободной энергии снижается.
Изменение кристаллической решетки при полиморфных 
превращениях сопровождается скачкообразным изменением 

1.1. Атомно-кристаллическое строение металлов

свойств: электросопротивления, теплопроводности, удельно‑
го объема, способности растворять другие металлы, механиче‑
ских свойств, а также стойкости против коррозии.
Понятие о структуре — широкое понятие. В зависимости 
от способа исследования удается выявить ту или иную особен‑
ность структуры металлов, а именно: атомно‑кристаллическую 
структуру, микроструктуру, субмикроструктуру, макрострукту‑
ру, вид излома.

1.1. Атомно-кристаллическое строение металлов

Все металлы — тела кристаллические и, следовательно, им 
присуще закономерное расположение атомов (точнее, ионов) 
в пространстве. Расположение атомов в пространстве характе‑
ризуют элементарной ячейкой. Под элементарной ячейкой по‑
нимают наименьшее число атомов, расположенных в опреде‑
ленной последовательности, которые при своем многократном 
повторении в пространстве воспроизводят пространственную 
кристаллическую решетку. Кристалл образован множеством 
прилегающих друг к другу элементарных ячеек. Для описания 
кристаллической решетки пользуются пространственной си‑
стемой координат, при этом оси координат выбираются так, 
чтобы они совпадали с какими‑либо тремя ребрами элементар‑
ной ячейки, сходящимися в одной точке и не лежащими в од‑
ной плоскости.
Кристаллография делит все кристаллические тела на семь си‑
стем или сингоний: кубическую, тетрагональную, ромбическую 
(орторомбическую), ромбоэдрическую (тригональную), гекса‑
гональную, моноклинную, триклинную. Рассмотрим лишь те 
кристаллические решетки, которые наиболее характерны для 
металлов.

1. Структура материалов и методы ее исследования 

Кубическая система. Элементарная ячейка описывается тре‑
мя взаимно перпендикулярными и равными осями. Металлы 
не образуют таких простых решеток (рис. 1.2). Они образуют 
кристаллические решетки, представляющие собой комбина‑
цию простых кубических решеток.

                а                                                       б

х

y

z

а

с

b

a = b = c 

a = b = g = 90° 

a
b

g
х

y

z

 

Рис. 1.2. Элементарная ячейка в кубической системе:

а — схема; б — пространственное расположение

Такова решетка объемноцентрированного куба (ОЦК), ко‑
торую можно рассматривать как сложную, состоящую из двух 
простых кубических решеток, сдвинутых относительно друг 
друга в направлении большой диагонали куба на расстояние, 
равное половине этой диагонали (рис. 1.3). Такую решетку об‑
разуют a‑железо, хром, ванадий, вольфрам, молибден, калий, 
натрий и другие металлы.
Решетка гранецентрированного куба (ГЦК) состоит из че‑
тырех простых кубических решеток, вставленных друг в дру‑
га таким образом, что углы кубов взаимно расположены в цен‑
трах граней (рис. 1.4).
Гранецентрированную решетку образуют, например, 
g‑железо, медь, никель, алюминий, золото, серебро. В ГЦК‑
решетке имеются плотно упакованные атомами параллельные 
плоскости и относительно большие свободные пространства 

1.1. Атомно-кристаллическое строение металлов

между ними, в противоположность решетке ОЦК, в которой 
атомы расположены по параллельным плоскостям, близко от‑
стоящим друг от друга, причем каждая плоскость упакована 
атомами менее плотно.

                   а                                                    б

х

y

z

а

с

b

a = b = c 

a = b = g = 90° 

a
b

g

 

Рис. 1.3. Элементарная ячейка ОЦК кристаллической решетки:

а — схема; б — пространственное расположение

                 а                                                       б

х

y

z

а

с

b

a = b = c 

a = b = g = 90° 

a
b

g

 

Рис. 1.4. Элементарная ячейка ГЦК кристаллической решетки:

а — схема; б — пространственное расположение

Тетрагональная система. Может быть описана тремя взаим‑
но перпендикулярными осями, из которых две равны, а третья 
им перпендикулярна, но не равна. Элементарная ячейка пред‑

1. Структура материалов и методы ее исследования 

ставляет собой вытянутый куб или призму с квадратным осно‑
ванием (рис. 1.5). В такой решетке кристаллизуется белое оло‑
во, устойчивое выше 18 °C, и закаленная сталь.
               а                                                      б

z

х

с

y
а

b

+с

–b

+b

+a
–a

–c

a

g 

b

 

b

a

g
 
a = b № c 
a = b = g = 90° 

Рис. 1.5. Элементарная ячейка в тетрагональной системе:

а — схема; б — оси

Гексагональная система. Элементарная ячейка описывается 
четырьмя осями, три из которых равны и расположены в од‑
ной плоскости под углом 60°, а четвертая им перпендикуляр‑
на и не равна.
Металлы образуют, как правило, не простую, а плотноупако‑
ванную гексагональную решетку (ГПУ), представляющую со‑
бой сочетание двух вставленных одна в другую простых гекса‑
гональных решеток (рис. 1.6). Такую решетку имеют берилий, 
магний, цинк, кадмий и др.
Размеры кристаллической решетки характеризуются пара‑
метром (периодом), под которым понимают расстояние меж‑
ду параллельными атомными плоскостями, образующими эле‑
ментарную ячейку. Параметр решетки измеряется в ангстремах 
(1 Å = 10–10 м). Различные металлы, имеющие однотипные кри‑
сталлические решетки, отличаются значением их параметров.
Гранецентрированная кубическая и гексагональная решет‑
ки наиболее плотно упакованы атомами. Под плотностью упа‑