Материаловедение и технологии материалов

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 
И ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ

Учебное пособие

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана

ISBN 978-5-7038-4442-7

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016
© Оформление. Издательство 
    МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2016

УДК 620.22
ББК 30.3
       М34

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/46/book1447.html

Факультет «Машиностроительные технологии»
Кафедра «Материаловедение»

Рекомендовано Редакционно-издательским советом 
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

Рецензент
канд. хим. наук П.В. Слитиков

Авторы: 
К.О. Базалеева, С.А. Пахомова, А.Е. Смирнов,
М.В. Унчикова, О.М. Ховова, С.Ю. Шевченко

Материаловедение и технологии материалов : учебное посо- 
бие / К. О. Базалеева [и др.]. — Москва : Издательство МГТУ 
им. Н. Э. Баумана, 2016. — 41, [3] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-4442-7

В учебном пособии представлена история развития материаловедения как 
науки, а также рассмотрены структура и свойства металлов и сплавов, их изменения 
под действием термической обработки и пластической деформации. 
Даны примеры инженерного применения сталей, композиционных и неметаллических 
материалов в авиации, ракетостроении, специальном машиностроении, 
приборостроении и других отраслях промышленности. Показано, что 
именно успехи материаловедения обеспечили революционные достижения  
в этих отраслях, а перспективные материалы и технологии их обработки открыли 
простор для полета инженерной мысли при создании принципиально 
новой техники.
Для бакалавров машиностроительных специальностей, изучающих дисциплину «
Материаловедение», и учащихся школы-лаборатории «Новейшие 
технологии, новейшие материалы», изучающих дисциплину «Материаловедение 
и технология конструкционных материалов».

УДК 620.22
ББК 30.3

М34

Предисловие

Особенность предлагаемого учебного пособия, написанного преподавателями 
кафедры «Материаловедение» МГТУ им. Н.Э. Баумана, 
в том, что сложные явления в веществах объяснены с помощью простых 
физических понятий.
В первой главе раскрывается история кафедры «Материаловедение» 
МГТУ им. Н.Э. Баумана с момента ее основания в 1929 г. Дан 
подробный анализ роли руководителей кафедры, коллектива преподавателей, 
аспирантов, студентов в решении теоретических и прикладных 
проблем материаловедения. 
Во второй главе на ряде примеров убедительно доказывается непосредственная 
связь между появлением принципиально новых конструктивных 
решений при разработке технических изделий и достижениями 
в области теоретического и прикладного материаловедения.
В третьей главе описаны металлографические исследования металлов, 
сплавов и композиционных материалов. 
В четвертой главе рассмотрены закономерности изменения структуры 
и свойств металлов при пластической деформации и последующем 
нагреве. Знание этих закономерностей важно при создании 
технологий обработки во всех отраслях промышленности, в том 
числе в авиации и исследовании космоса.
Пятая глава посвящена упрочняющей термической обработке 
сталей. 
Учебное пособие написано в соответствии с учебными программами 
высшего профессионального образования по дисциплине  
«Материаловедение», однако может быть использовано и учащимися 
средних образовательных учреждений при изучении общеобразовательных 
дисциплин. 
Базовыми для данного курса являются знания, приобретенные  
в школе и вузе по таким дисциплинам, как физика, математика, химия, 
информатика.

Цель пособия — обеспечить непрерывность профессионального и 
исследовательского обучения школьников в школе-лаборатории «Новейшие 
технологии, новейшие материалы» и в вузе, формирование 
интеллектуальных, личностных и профессиональных компетенций, 
позволяющих осознанно подойти к выбору специальности.
Задача курса — ознакомление с возможностями современного 
исследовательского и испытательного оборудования и технологиями 
термической обработки в машиностроении.
После изучения дисциплины обучающийся будет знать свойства 
материалов, их зависимость от состава и строения, закономерности 
формирования структуры и свойств материалов; будет уметь исследовать 
микроструктуру материалов и использовать пластическую 
деформацию и термическую обработку для увеличения прочности 
стали; будет иметь навыки самостоятельной работы с учебной и справочной 
литературой и выполнения сравнительной оценки свойств 
материалов и упрочняющих технологий.

введение

Для создания новых технологий требуются глубокие знания  
физико-химических основ материаловедения — науки о связи между 
структурой и свойствами материалов.
Кафедра «Материаловедение» — одна из старейших в МГТУ  
им. Н.Э. Баумана. Ее история началась с создания профессором А.М. Бочваром 
в 1909 г. лаборатории металлографии и открытия специальности «
Сплавы» на химическом факультете Императорского московского 
технического училища (ИМТУ). В 1929 г. была создана кафедра 
«Металловедение», первая кафедра по металловедению в мировой 
практике, руководство которой было поручено выдающемуся ученому 
профессору И.И. Сидорину.
Главные творческие достижения кафедры исторически связаны  
с областью авиастроения. Среди них — разработка высокопрочных 
алюминиевых сплавов для первых цельнометаллических самолетов, 
создание научных основ и высокоэффективных технологий химикотермической 
обработки сталей и сплавов. Эти стали и сплавы были 
использованы для повышения жаростойкости лопаток турбин авиационных 
двигателей, повышения износостойкости деталей зубчатых 
передач и решения других сложных задач. 
В 1920-е годы был начат серийный выпуск цельнометаллического 
самолета АНТ-4, на котором в 1929 г. экипаж летчика С.А. Шестакова 
под руководством инженера В.М. Петлякова совершил первый 
перелет на Американский континент.
Появление новых материалов и новых технологий их обработки 
позволило многократно увеличить вместимость пассажирских авиалайнеров, 
значительно повысить ресурс работы авиадвигателей, надежность 
и долговечность эксплуатации топливных насосов, оснастить 
космические станции крупногабаритными конструкциями, такими 
как антенны, отражатели телескопов, панели солнечных батарей, 
решить другие задачи.

Металлография как наука начала развиваться более 200 лет назад. 
Это классическое направление в металловедении представляет совокупность 
методов исследования и контроля материалов. Металлографические 
исследования важны во всех отраслях промышленности.
Термическую обработку применяют на всех стадиях производства 
деталей машин и металлоизделий. В одних случаях она может быть 
промежуточной операцией и служить для улучшения обрабатываемости 
сплавов давлением или резанием, в других — окончательной 
операцией, обеспечивающей необходимый комплекс показателей 
механических, физических и эксплуатационных свойств изделий. 
Детали подвергают термической обработке для придания им определенных 
свойств (твердости, износостойкости, прочности и др.).
К настоящему времени с участием специалистов кафедры разработано 
множество технологий, которые широко применяются на 
предприятиях всех отраслей промышленности. Кафедра активно сотрудничает 
с ведущими научными организациями в области материаловедения, 
имеет филиалы в Институте металлургии и материаловедения 
им. А.А. Байкова Российской академии наук (РАН), во 
Всероссийском институте авиационных материалов (ВИАМ), а также 
на Московском машиностроительном производственном предприятии 
(ММПП) «Салют».
За время существования кафедра подготовила более трех тысяч 
специалистов, в том числе 40 докторов технических наук, более 200 
кандидатов технических наук, 10 лауреатов Государственной премии 
и премии Совета Министров.

1. исТориЯ МАТериАловедениЯ — 

исТориЯ КАФедрЫ

В октябре 2009 г. кафедре «Материаловедение» МГТУ им. Н.Э. Баумана 
исполнилось 80 лет. За время деятельности кафедра успешно решала 
задачи подготовки инженеров и научно-педагогических кадров, 
развития научных исследований. Кафедра подготовила около 3000 
инженеров — специалистов по материаловедению, способствовала 
научному росту сотрудников и соискателей и завершению работ над 
кандидатскими и докторскими диссертациями.
Создание кафедры в 1929 г. и ее развитие соответствовали росту потребности 
в квалифицированных инженерах для развивающегося машиностроения, 
и особенно самолетостроения. Элементы обучения студентов 
знаниям в области материалов появились в МГТУ им. Н.Э. Баумана 
задолго до организации специальной кафедры. В истории развития 
промышленности России XIX век считается веком машинной индустрии. 
Для работы в промышленности потребовались отечественные 
специалисты, и их начали готовить в Санкт-Петербурге, Москве,  
Казани, Харькове, Дерпте (с 1919 г. — Тарту). Отечественная техника 
требовала механиков высокого класса по всем направлениям, и в 1873 г. 
появилась кафедра «Химическая технология и металлургия». С 1898 г. 
в Императорском московском техническом училище (ИМТУ) на 
пятом курсе были введены экспериментальные занятия по механическому 
исследованию свойств материалов на испытательных машинах, 
в том числе с 1903 г. — испытания материалов на растяжение, изгиб 
и сжатие. В учебных мастерских особое внимание уделялось получению 
сведений о характерных свойствах машиностроительных материалов. 
Каждый студент выполнял работы и представлял отчет  
с приложением схемы машины и графиков испытаний. Позднее были 
введены испытания на кручение и удар, изучались упругие свойства 
ремней и трение при использовании различных видов смазки.
В 1904 г. A.M. Бочвар, выпускник ИМТУ 1897 г., организовал 
новую металлургическую лабораторию. Особое внимание уделялось 

изучению механических свойств металлов, методам и средствам их 
определения. В 1906 г. в химическом институте были организованы 
лаборатории качественного и количественного анализа, металлургии, 
был создан кабинет кристаллографии.
Проф. И.К. Коссов написал курс «Металлургия» (1866), проф. 
С.П. Ланговой опубликовал «Исследование наиболее употребительных 
методов определения углерода в железе» (1898), а проф. Я.Я. Никитинский — 
работы «Металлургия» (1890), «Металлы и минеральные 
вещества» (1895).
Первоначально химическая технология металлов была теоретическим 
предметом, но затем начали проводиться исследования железных 
руд и бронзы для подшипников, сплавов алюминия. По результатам 
своих работ Е.И. Тумский опубликовал монографию «Алюминий  
и сплавы с ним» (1897), где указал на широкие возможности использования 
сплавов в машиностроении.
Таким образом, к концу XIX в. в ИМТУ на химическом и механическом 
факультетах зародились основы науки о металлах — металловедения. 
С 1901 г. A.M. Бочвар начал читать курс «Металлургия», 
что предопределило открытие в ИМТУ металловедеческого направления. 
В 1908–1909 гг. А.М. Бочвар создал одну из первых в России 
лабораторий металлографии, где проводились систематические научные 
работы и было развито учение о структуре и свойствах металлов 
и сплавов.
Заслуживают внимания всесторонние исследования A.M. Бочвара 
по антифрикционным сплавам. Его мы по праву можем считать основателем 
московской школы металловедов, а 1909 г. — годом становления 
металловедения как науки (тогда же в ИМТУ была создана 
одноименная специальность). В 1909 г. проф. A.M. Бочвар начал 
читать курс «Металлография». В результате слияния лабораторий 
металлургии и металлографии в 1910 г. была организована лаборатория 
сплавов.
В 1918–1920 гг. на механико-химическом отделении была организована 
кафедра «Металлургия и металлография». По инициативе  
A.M. Бочвара впервые в Москве началась подготовка специалистов-
металлургов по специальности «Сплавы». Продолжателями его работ 
стали талантливые ученики, которых можно считать основателями 
трех научных школ: металловедения цветных металлов и сплавов 
(основатель — А.А. Бочвар), коррозии металлов (основатель —  
Г.В. Акимов) и авиационного металловедения (основатель — И.И. Си-
дорин).

Особую роль в истории кафедры 

сыграл проф. И.И. Сидорин (рис. 1.1), 
которой руководил 23 года.
И.И. Сидорин окончил ИМТУ в 

1914 г., через три года вернулся в родные 
стены после службы в армии и 
связал свою педагогическую, инженерную 
и научную деятельность с авиацией. 
С 1922 г. Иван Иванович руководил 
отделом испытания материалов Центрального 
аэрогидродинамического института (
ЦАГИ), где наряду с испытаниями 
традиционной для того времени 
древесины начались исследования металлических 
материалов. 

Именно И.И. Сидорин и А.Н. Туполев 
стали первопроходцами в развитии 
металлического самолетостроения. 
В 1924 г. поднялся в воздух самолет 
АНТ-2 (рис. 1.2), в конструкции которого использовали прочный 
алюминиевый сплав кольчугалюминий. Необходимые исследования 
этого сплава, завершившиеся разработкой технологии его термического 
упрочнения и определением влияния деформирования на 
свойства, были выполнены И.И. Сидориным. Это явилось предпосылкой 
для промышленного производства сплава и последующей 
разработки нового семейства сплавов — дуралюминов.
В 1924 г. в МВТУ И.И. Сидорин начал читать курс «Металловедение 
и термическая обработка», а в 1925 г. организовал Институт 

Рис. 1.1. Сидорин Иван
Иванович 

(25.02.1888–11.03.1982)

Рис. 1.2. Самолет АНТ-2 

конструкции И.И. Сидорина и А.Н. Туполева

испытания материалов для выполнения контрольных, экспертизных 
и научно-исследовательских работ (позднее этот институт был преобразован 
в научно-исследовательский сектор МВТУ). С 1925 г.  
в программу обучения студентов механического факультета ввели курс 
«Металловедение». Примечательно, что программой было предусмотрено 
изучение термической обработки, коррозии, механических 
свойств металлов, описаны свойства и особенности сталей и сплавов, 
используемых в машиностроении. Каждый раздел этого небольшого 
курса в последующем вылился в самостоятельную дисциплину, изучение 
этих дисциплин обязательно для специалиста по материалам.
На следующий год состоялся первый выпуск металловедов, подготовленных 
по ускоренной программе (среди 10 выпускников был и 
будущий академик РАН С.Т. Кишкин). В 1932 г. И.И. Сидорин перешел 
на работу в ВИАМ, где работал заместителем начальника по научной 
работе, поэтому с 1932 по 1941 г. кафедрой руководил В.О. Крениг — 
крупный специалист в области коррозии легких сплавов, один из соратников 
Г.В. Акимова. В 1935 г. состоялся первый выпуск 80 инженеров-
металловедов, прошедших полный курс обучения — это стало 
началом планомерного выпуска специалистов. 
Необходимо отметить роль И.И. Сидорина как идеолога создания 
высокопрочной стали для авиации хромансиль. Эта сталь, 
имеющая прочность 1600…1700 МПа, разрабатывалась под руководством 
И.И. Сидорина и Г.В. Акимова при активном участии сотрудников 
ВИАМ П.П. Шишкова и И.И. Гузмана. Хромансиль использовали 
как основной материал в отечественном самолетостроении. 
Позднее С.Т. Кишкин и И.И. Гузман улучшили эту сталь дополнительным 
введением никеля, что повысило вязкость и уменьшило 
склонность к хрупкому разрушению.
С началом Великой Отечественной войны в сентябре 1941 г. МВТУ 
им. Н.Э. Баумана был эвакуирован в г. Ижевск и кафедра разделилась 
надвое — в Ижевске ее возглавил доцент М.Н. Кунявский, в Москве — 
проф. В.Н. Махов. В Ижевске обучение студентов не прерывалось, и, 
хотя по условиям военного времени число их снизилось, кафедра сумела 
выпустить несколько инженеров. В.Н. Махов участвовал в работе 
экспериментального завода МВТУ им. Н.Э. Баумана и руководил 
термической обработкой деталей. В частности, он исследовал возможность 
дальнейшей эксплуатации строительных стальных конструкций 
в пострадавшем от военных действий Сталинграде (ныне — Волгоград).
В 1943 г. МВТУ им. Н.Э. Баумана вернулось из эвакуации в Москву, 
и кафедра воссоединилась под руководством доц. М.Н. Кунявского.