Москва
ИНФРА-М
2014

материаловедение

УчебНИк

Под редакцией доц. в.т. Батиенкова

сРедНее пРоФессИоНАльНое обРАзовАНИе

Г.Г. сеферов
в.т. Батиенков
Г.Г. сеферов
а.л. фоменко

Допущено Государственным комитетом 
Российской Федерации по строительству 
и жилищно-коммунальному комплексу в качестве 
учебника для студентов средних специальных 
учебных заведений, обучающихся 
по специальности 2915 «Монтаж и эксплуатация 
оборудования и систем газоснабжения»

Сеферов Г.Г., Батиенков В.Т., Сеферов Г.Г., Фоменко А.Л.
Материаловедение: Учебник/ Под ред. В.Т. Батиенкова. — М.: 
ИНФРА-М, 2014. — 151 с. — (Среднее профессиональное образова- 
ние). — DOI 10.12737/978 (www.doi.org).

ISBN 978-5-16-005537-4 (print)
ISBN 978-5-16-100403-6 (online)

Изложены основы материаловедения, приведены сведения о материалах 
и изделиях, применяемых для систем газоснабжения, освещены современные 
методы защиты газопроводов от коррозии.

ББК 30.3я723

УДК 620.22(07) 
ББК 30.3я723
 
С28

© Сеферов Г.Г., Батиенков В.Т., 
 
Сеферов Г.Г., Фоменко А.Л., 2005
ISBN 978-5-16-005537-4 (print)
ISBN 978-5-16-100403-6 (online)

Авторы:
канд. техн. наук, доц. Гр. Георг. Сеферов, канд. техн. наук, доц. В.Т. Батиенков, 
Гр. Гр. Сеферов, А.Л. Фоменко (под редакцией В.Т. Батиенкова)

Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. Ю.Г. Дорофеев, зав. кафедрой «Материаловедение и 
технология материалов» Южно-Российского государственного технического 
университета (Новочеркасского политехнического института);
В.А. Шилов, заместитель генерального директора по научной работе ОАО 
ПСП «Севкавнииагропром»

С28

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 1 ст. 11

ПРЕДИСЛОВИЕ

В учебнике с привлечением большого количества справочного
материала изложены физико-механические основы материаловеде-
ния, приведены сведения о материалах и изделиях, применяемых
для систем газоснабжения, современных методах защиты газопро-
водов от коррозии.
Учебник разработан в соответствии с Государственным образо-
вательным стандартом среднего профессионального образования по
специальности 2915 «Монтаж и эксплуатация оборудования и сис-
тем газоснабжения», предусматривающим изучение учебной дис-
циплины «Материаловедение». Он может быть также полезен ин-
женерно-техническому персоналу, работающему по данной специ-
альности.
Преподавание указанного учебного курса должно иметь практи-
ческую направленность и стать необходимой базой для последу-
ющего изучения других дисциплин — санитарно-техническое обору-
дование зданий, газовые сети и установки, эксплуатация оборудо-
вания и систем газоснабжения.
Авторы — канд. техн. наук, доц. Гр.Георг. Сеферов, канд. техн.
наук, доц. В.Т. Батиенков, Гр.Гр. Сеферов, А.Л. Фоменко.
Авторы выражают благодарность рецензенту — зав. кафедрой
«Материаловедение и технология материалов» Южно-Российского
государственного технического университета, д-ру техн. наук, проф.
Ю.Г. Дорофееву за замечания и пожелания, способствовавшие улуч-
шению содержания, а также главному специалисту ЦНИИЭП жи-
лища Б.И. Штейману за большую научно-техническую и методи-
ческую помощь при редактировании рукописи.

ВВЕДЕНИЕ

Материаловедение — наука, изучающая связь между составом,
строением и свойствами металлических сплавов и неметаллических
материалов, а также рассматривающая закономерности их измене-
ния под влиянием механических, физико-химических и других
видов воздействий.
Свойства материалов определяются не только химическим соста-
вом, но и их структурой. Изменять структуру можно различными
путями: легированием, гранулированием, деформированием, тер-
мической, химико-термической и термомеханической обработка-
ми и др. На структуру и свойства материалов помимо этого оказы-
вают влияние высокое давление, вакуум, ультразвук, скорость ох-
лаждения, ядерное облучение, обработка лазером и т.д.
Материаловедение базируется на научных основах физики, хи-
мии и новейших достижениях в области технологии получения по-
луфабрикатов и изделий.
Основы современного материаловедения были заложены выда-
ющимися русскими учеными в области металлургии П.П.Аносовым
(1799–1855), впервые установившим связь между строением стали
и ее свойствами, и Д.К.Черновым (1839–1921), который в 1868 г. от-
крыл структурные превращения в сталях при их нагреве и охлажде-
нии. Д.К. Чернов по праву считается основоположником металло-
графии — науки о строении металлов и сплавов. Его научные откры-
тия легли в основу процессов ковки, прокатки и термической
обработки стали. Дальнейшее развитие металловедение получило в
работах видных отечественных ученых: Н.И. Беляева, Н.С. Курна-
кова, А.А. Байкова, С.С. Штейнберга, А.А. Бочвара, Г.В. Курдюмо-
ва и др.
Наука о металлах развивается динамично, используя электрон-
ные микроскопы, микрорентгеноспектральный анализ и другую
современную аппаратуру. Все это позволяет более глубоко и полно
изучить строение металлов и сплавов, находить новые пути повы-
шения их механических и физико-технических свойств. Создают-
ся сверхтвердые сплавы, многослойные композиции с широким
спектром свойств, металлические, алмазные и керамико-металличес-
кие материалы. В то же время в строительстве и прокладке газопро-
водов все большее применение получают полимерные материалы,
обладающие совокупностью необходимых свойств и высокой дол-
говечностью.

Знание основ материаловедения необходимо каждому специали-
сту, работающему в области создания, эксплуатации оборудования
и систем газоснабжения. Только изучив свойства материалов, можно
обоснованно выбрать их для использования, правильно разработать
технологический процесс обработки.

Раздел I. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ.
ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И ИЗДЕЛИЯ СИСТЕМ
ГАЗОСНАБЖЕНИЯ

ГЛАВА 1. СТРОЕНИЕ, ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА
И СПОСОБЫ ИСПЫТАНИЙ МЕТАЛЛОВ
И СПЛАВОВ

1.1.
Основные виды металлов

Металлы — материалы, обладающие высокой тепло- и электро-
проводностью, ковкостью, металлическим блеском, непрозрачно-
стью и другими свойствами. Металлы и сплавы на их основе харак-
теризуются комплексом механических, физических, химических и
технологических свойств, обеспечивающих широкое применение в
различных отраслях техники, промышленности, жилищном и до-
рожном строительстве.
Металлы условно делят на черные (железо и сплавы на его ос-
нове — сталь, чугун) и цветные.

1.2.
Кристаллическое строение металлов

В твердом состоянии металлы и металлические сплавы облада-
ют кристаллическим строением со строго определенным располо-
жением атомов. Кристаллические тела состоят из множества мел-
ких зерен (кристаллитов), внутри которых атомы расположены за-
кономерно, образуя в пространстве правильную кристаллическую
решетку. В идеальной кристаллической решетке атомы находятся
на определенных расстояниях друг от друга и располагаются в оп-
ределенных местах. Такое упорядоченное расположение атомов
отличает кристаллическое тело от аморфного, в котором атомы рас-

положены беспорядочно. Аморфное твердое тело является изотроп-
ным, т.е. обладает одинаковыми свойствами во всех направлениях.
Кроме того, ему присущи высокая твердость, хорошая коррозион-
ная стойкость и другие свойства. Если такое тело нагреть до опре-
деленной температуры, которая приведет к значительному повыше-
нию тепловой активности атомов, то его аморфное состояние перей-
дет в кристаллическое. Можно получить и смешанную структуру —
аморфную основу и образовавшиеся в ней кристаллы.
Кристаллическим веществам свойственна анизотропия свойств,
они обладают различными свойствами в разных направлениях. Это
объясняется тем, что число атомов, приходящихся на то или иное
плоское сечение кристаллической решетки, неодинаково.
В кристаллах всегда имеются дефекты (несовершенства) строения,
вызванные нарушением расположения атомов в кристаллической
решетке. Характер и степень нарушения правильности кристалличес-
кого строения определенным образом сказываются на свойствах ме-
таллов. Дефекты кристаллического строения по геометрическим
признакам подразделяют на точечные, линейные и поверхностные.
К точечным дефектам относятся вакансии и межузельные ато-
мы. Атомы находятся в колебательном движении около узлов кри-
сталлической решетки, а нагревание увеличивает амплитуду этих ко-
лебаний. Большинство атомов металла в решетке обладают одина-
ковой (средней) энергией, однако отдельные из них имеют энергию,
превосходящую среднюю, и могут перемещаться из одного места в
другое. Так, атомы, расположенные ближе к поверхности, выходят
на поверхность, а их место могут занять атомы, находящиеся даль-
ше от нее. Освободившееся место, где находился переместившийся
атом, называется вакансией. Число вакансий увеличивается с по-
вышением температуры, при обработке давлением, облучением и
других видах воздействий. Вакансии играют важную роль в диффу-
зионных процессах, происходящих в металлах и сплавах.
Межузельные дефекты образуются вследствие перехода атома из
узла решетки в межузлие кристаллической решетки. Точечные де-
фекты приводят к искажению кристаллической решетки (рис. 1.1).




Рис. 1.1. Дефекты кристаллической решетки: а — вакансия; б — межузельный атом

Линейные дефекты называются дислокациями. Различают два
вида дислокаций — краевые и винтовые. Краевая дислокация пред-
ставляет собой местное искажение кристаллической решетки; вин-
товая дислокация образуется при неполном сдвиге кристалла в плос-
кости. Дислокации происходят в процессе кристаллизации, при тер-
мической и химико-термической обработках, пластической
деформации и других видах воздействий на структуру металлов. Для
дислокации характерна большая подвижность. Это связано с тем,
что кристаллическая решетка в зоне нахождения дислокации упру-
го искажена, а смещенные атомы стремятся переместиться в рав-
новесное положение. На свойства металлов влияет не только плот-
ность дислокаций, но и их расположение в объеме.
Поверхностные дефекты представляют собой поверхности разде-
ла между отдельными кристаллами или их блоками. На границах
зерен расположение атомов менее правильное, чем в зерне.
Вакансии, дислокации и другие дефекты атомно-кристалличес-
кого строения оказывают существенное влияние на свойства ме-
таллов.
Металлы и сплавы могут находиться в трех агрегатных состоя-
ниях — твердом, жидком и газообразном. Переход металла из жид-
кого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристалли-
зацией. Этот вид кристаллизации является первичной в отличие от
вторичной кристаллизации (перекристаллизации), которая имеет
место в твердом металле. В чистых металлах твердое состояние пе-
реходит в жидкое при температуре плавления, жидкое в газообраз-
ное — при температуре кипения. Температура плавления металлов
колеблется от –39 °С (для ртути — самого легкоплавкого металла)
до +3390 °С (для вольфрама — самого тугоплавкого металла).
На рис. 1.2 приведена схема, показывающая механизм кристал-
лизации металла.

Рис. 1.2. Схема кристаллизации металлов

До тех пор пока формирующийся вокруг центра кристаллиза-
ции кристалл окружен жидким расплавом металла, он имеет стро-
го определенную геометрическую форму, однако при столкновении
и срастании кристаллов их правильная форма нарушается и обра-
зуются так называемые кристаллиты — зерна.
Величина зерна зависит от числа центров кристаллизации и
скорости роста. На образование центров кристаллизации влияет
скорость охлаждения. Чем больше степень охлаждения, тем боль-
ше центров кристаллизации и меньше размер зерна. Чем мельче
зерно, тем выше механические свойства металла (сплава). Особен-
но это сказывается на пластичности металла. На процесс кристал-
лизации оказывает влияние ультразвук, модифицирование, введе-
ние порошков, частицы которых служат центрами кристаллиза-
ции; поверхностно-активные вещества, облегчающие образование
зародышей, и др.
Обычно механизм образова-
ния кристаллов носит дендрит-
ный характер, поскольку разви-
тие зародышей протекает глав-
ным образом в тех направлениях
решетки, которые имеют наи-
большую плотность упаковки
атомов и минимальное расстоя-
ние между ними. В этих направ-
лениях образуются ветви — оси
первого порядка I (рис. 1.3). От
этих осей начинают расти новые
оси второго II, от осей второго —
оси третьего порядка III и т.д.

1.3.
Кристаллические решетки, их типы.
Полиморфные превращения

Металлы имеют кристаллические решетки различных типов.
Чаще всего встречаются: кубическая объемно-центрированная
(ОЦК), кубическая гранецентрированная (ГЦК), гексагональная
плотноупакованная (ГПУ) кристаллические решетки.
Показанные на рис.1.4 наименьшие объемы кристаллов называ-
ются элементарными кристаллическими ячейками, с помощью ко-
торых представляют атомное строение металлов.
В элементарной ячейке кубической объемно-центрированной
решетки (рис. 1.4, а) содержится девять атомов: восемь располага-
ются по узлам ячейки и один атом — в центре. Такой тип решетки

Рис. 1.3. Схема дендрита Д.К.Чернова

имеют литий, калий, рубидий, ва-
надий, молибден, вольфрам, нио-
бий, тантал, α-железо и другие ме-
таллы.
В элементарной ячейке кубичес-
кой гранецентрированной решетки
(рис.1.4, б) находится четырнадцать
атомов, которые расположены в уг-
лах ячейки и в центре каждой гра-
ни. Этот тип решетки имеют сви-
нец, никель, серебро, золото, медь,
алюминий, платина, кальций,
γ-железо, церий, α-кальций и др.
В элементарной ячейке гексаго-
нальной плотноупакованной ре-
шетки (рис. 1.4, в) содержится сем-
надцать атомов, которые располо-
жены в углах ячейки, центрах
шестигранных оснований призмы,
и три атома в средней плоскости
призмы. Такую решетку имеют
магний, цинк, кадмий, рений, бе-
риллий, гафний, титан (α-фаза),
осмий и др.
Размеры кристаллической решетки характеризуются рассто-
янием между центрами соседних атомов, находящихся в верши-
нах элементарных ячеек, называемым параметром или периодом
решетки. Кубическую решетку характеризует один параметр —
длина ребра куба а, а гексагональную — два параметра а и с или
их отношение с/а.
Плотность различных кристаллических решеток разная и харак-
теризуется координационным числом К, под которым понимают
число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии
от данного атома. Координационное число для кубической объем-
но-центрированной решетки равно восьми (К8), и коэффициент за-
полнения (отношение объема, занятого атомами, к объему всей
ячейки) равен 68%. Для гранецентрированной и гексагональной
кристаллических решеток координационное число равно двенадца-
ти (К12), а коэффициент заполнения — 74%.
Полиморфизмом или аллотропией называют способность ме-
талла в твердом состоянии при изменении температуры перестра-
ивать свою кристаллическую решетку. Полиморфные превраще-
ния сопровождаются выделением или поглощением теплоты,
а также изменением свойств металла. Различные аллотропические

Рис. 1.4. Элементарные кристалли-
ческие ячейки: а — кубическая
объемно-центрированная; б — куби-
ческая гранецентрированная; в —
гексагональная плотноупакованная