Металловедение

1

Б.А. Кузьмин А.И. Самохоцкий, Т.Н. Кузнецова

МЕТАЛЛУРГИЯ,

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И КОНСТРУКЦИННЫЕ

МАТЕРИЛЫ

2

6ПЗ

K89

УДК 669(075)

Рецензент - профессор А. Г. РАХШТАДТ (МВТУ) Борис Александрович Кузьмин, (проф., канд. техн. наук)

Алексей Иванович Самохоцкий, (заслуженный учитель РСФСР)

Татьяна Николаевна Кузнецова (инженер)

МЕТАЛЛУРГИЯ, МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ИБ № 663

Редактор З. Г. Овсянникова. Художественный редактор Г. А. Дурасова. Технический редактор Я. В. Яшукова. Художник В. И. Казакова. Корректор Р. К. Косинова. Т-13316. Сдано в набор 18/II-77 г. Подписано к печати 6/VII-77 г. Формат 60x901/16. Бум. тип. № 1. Объем 19 печ. л. Усл. п. л. 19. Уч.-изд. л. 20,33. Изд. № ОТ-270/75. Тираж 145 000 экз. Зак. 1118. Цена 95 коп. План выпуска литературы издательства «Высшая школа» (вузы и техникумы) на 1977 г. Позиция № 217. Издательство «Высшая школа»,

Москва, К-51. Неглинная ул., д. 29/14 Ордена Трудового Красного Знамени Ленинградское производственно-техническое объединение «Печатный Двор» имени А. М. Горького Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной

3

торговли. 197136, Ленинград, П-136, Гатчинская ул. 26.

Кузьмин Б. А. и др.

К 89 Металлургия, металловедение и конструкционные материалы. Учеб-

ник для техникумов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Высш. школа», 1977. 304 с. с ил.

Перед загл. авт.: Б. А. Кузьмин, А. И. Самохоцкий, Т. Н. Кузнецова.

в учебнике рассмотрены строение и механические свойства металлов;

теория сплавов; производство черных и цветных металлов; основы теории и технологические процессы термической обработки сплавов; теория коррозии и методы защиты от нее; строение, свойства, назначение сталей и чугунов, цвет-

ных металлов и сплавов, а также неметаллических конструкционных материа-

лов.

Во втором издании учебника (первое вышло в 1971 г.) материал значи-

тельно обновлен.

Предназначается для учащихся машиностроительных и металлургических специальностей техникумов.

	K	31101	384	217 77
		001(01)	77

6ПЗ

© Издательство «Высшая школа», 1977 г.

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящий учебник написан для учащихся техникумов, готовящих меха-

ников по машиностроительным специальностям. Он соответствует учебным программам предметов, либо совпадающих с названием книги, либо именуе-

мых «Металловедение и конструкционные материалы».

В учебных планах этих специальностей техникумов обычно отсутствует предмет «Технология металлов», а есть самостоятельные предметы - «Метал-

ловедение и конструкционные материалы», «Горячая обработка металлов» и

отдельно «Резание и металлорежущие станки» или другие. В соответствии с программами этих предметов элементарные сведения по металлургии должны преподаваться вместе с металловедением.

В настоящем учебнике вопросы металлургии не выделены в само-

стоятельный раздел, а изложены после элементарных сведений по кристаллиза-

ции, строению металлов и их механическим свойствам. Кроме того, вопросы металлургии соответствующего металла изложены непосредственно перед опи-

санием его сплавов и диаграмм их состояния.

Такое изложение материала является более логичным, так как многие широко используемые в технике сплавы получаются непосредственно на ме-

таллургическом заводе и технология этих сплавов тесно связана с их металлур-

гией (стали, чугуны, силумины).

По сравнению с первым второе издание учебника переработано. В соот-

ветствии с новыми достижениями в науке в учебник внесены необходимые из-

менения и дополнения. Даны сведения о дислокациях, механизме пластической деформации и разрушении, пороге хладноломкости, конструктивной прочно-

сти. Указаны особенности структуры слитков, полученных методом непрерыв-

ной разливки стали. Виды термической обработки даны по классификации, раз-

работанной Комиссией по стандартизации СЭВа. Даны понятия о металлургии магния, о свойствах и назначении магниевых сплавов. В материале о пластмас-

5

сах и резине сделаны некоторые сокращения.

Главы IV, V, XVI, XVII, XVIII учебника написаны проф. Б. А. Кузьми-

ным; главы I, II, III, VI - XV и XIX - А. И. Самохоцким; главы - XX - XXII - Т.

Я. Кузнецовой.

Отзывы и пожелания, направленные на улучшение этого учебника, будут приняты с большой благодарностью.

Авторы

6

Глава I

СТРОЕНИЕ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

§ 1. Кристаллические решетки металлов

Металлы - кристаллические тела, атомы которых располагаются в гео-

метрически правильном порядке, образуя кристаллы, в отличие от аморфных тел (например, смола), атомы которых находятся в беспорядочном состоянии.

Располагаясь в металлах в строгом порядке, атомы в плоскости образуют атомную сетку, а в пространстве - атомно-кристаллическую решетку (рис. 1).

Линии на этих схемах являются условными; в действительности никаких линий не существует, а атомы колеблются возле точек равновесия, т. е. узлов решетки с большой частотой.

Типы кристаллических решеток у различных металлов различные. Наи-

более часто встречаются решетки: кубическая объемно-центрированная, куби-

ческая гранецентрированная и гексагональная плотноупакованная.

Элементарные ячейки таких кристаллических решеток приведены на рис. 1. В ячейке решетки кубической объемноцентрированной атомы расположены в вершинах куба и в центре куба; такую решетку имеют хром, ванадий, вольф-

рам, молибден и др. В ячейке кубической гранецентрированной решетки атомы расположены в вершинах и в центре каждой грани куба; такую решетку имеют алюминий, никель, медь, свинец и др. В ячейке гексагональной решетки атомы расположены в вершинах шестиугольных оснований призмы, в центре этих ос-

нований и внутри призмы; гексагональную решетку имеют магний, титан, цинк и др. В реальном металле кристаллическая решетка состоит из огромного коли-

чества ячеек.

Размеры кристаллической решетки характеризуются ее параметрами, из-

меряемыми в ангстремах - Å (lÅ = 10-8 см или lÅ = 0,1 Нм). Параметр кубиче-

ской решетки характеризуется длиной ребра куба, обозначается буквой а и на-

ходится в пределах 0,28-0,6 Нм (2,8 - 6Å). Для характеристики гексагональной

7

решетки принимают два параметра - сторону шестигранника а и высоту призмы с. Когда отношение с/а = 1,633, то атомы упакованы наиболее плотно, и поэто-

му такая решетка называется гексагональной плотноупакованной.

§ 2. Реальное строение металлических кристаллов

Необходимо отметить, что такой порядок в расположении атомов (упа-

ковка), как это показано при описании элементарных ячеек кристаллической решетки, имеется не по всему объему кристалла (кристаллической решетки).

8

В действительности реальный кристалл в отличие от идеального имеет структурные несовершенства: точечные, линейные и поверхностные.

Точечные несовершенства. Как указывалось, атомы находятся в колеба-

тельном движении возле узлов решетки. Чем выше температура, тем больше амплитуда этих колебаний. Хотя большинство атомов металла в данной кристаллической решетке обладает одинаковой (средней) энергией и колеблется при данной температуре с одина-

ковой амплитудой, отдельные атомы имеют энергию, значительно превышающую сред-

нюю энергию. Такие атомы имеют не только амплитуду колебаний большую, чем средняя,

но могут перемещаться из одного места в другое. Наиболее легко перемешают-

ся атомы поверхностного слоя, выходя на поверхность (например, атом 1, рис.

2, а). Место, где находился такой атом (свободный узел), называется ваканси-

ей, которая не остается свободной. Через некоторое время в нее перемещается один из соседних атомов из более глубокого слоя (например, атом 2, рис. 2, б),

а покинутый им узел также становится вакансией; затем перемещается, напри-

мер, атом 5 (рис. 2, в) и т. д. Таким образом, вакансия перемещается в глубь кристалла. Как видно из рис. 2, г, вакансия искажает кристаллическую решетку.

С повышением температуры увеличивается количество вакансий и они чаще переходят из одного узла в другой. Вакансии играют определяющую роль в диффузионных процессах, протекающих в металлах.

Линейные несовершенства. Эти несовершенства называются дислока-

циями (от английского слова dislocation, что в переводе означает смещение,

сдвиг). Существуют различные виды дислокаций, одним из которых является

9

краевая (линейная) дислокация, сущность которой поясним следующим приме-

ром.

Произведем в идеальном кристалле сдвиг на одно межатомное расстояние одной части кристалла относительно другой вдоль какой-либо атомной плоско-

сти на участке ADEF (рис. 3, а). Как видно, влево сдвинулась только часть кри-

сталла, находящаяся правее плоскости ABCD. При таком сдвиге число рядов атомов в верхней части кристалла на один больше, чем в нижней (рис. 3, б).

Плоскость ABCD (рис. 3, а ) представляет собой в данном случае как бы лиш-

нюю атомную плоскость (называемую экстраплоскостью), вставленную в верх-

нюю часть кристалла ( АВ , рис. 3, б). Линия AD (рис. 3, а), перпендикулярная направлению сдвига, являющаяся краем экстраплоскости, называется краевой или линейной дислокацией, длина которой может достигать многих тысяч меж-

атомных расстояний.

Характерным для дислокаций является их легкая подвижность. Это объ-

ясняется тем, что кристаллическая решетка в зоне дислокаций упруго искажена,

атомы в этой зоне смещены относительно

и х равновесного положения в кристаллической решетке и поэтому ато-

мы, образующие дислокацию, стремятся переместиться в равновесное положе-

ние.

10

Образование дислокаций может происходить в процессе кристаллизации,

при пластической деформации, термической обработке и других процессах.

Дислокации оказывают весьма существенное влияние на все процессы, проте-

кающие в металлах. Они очень сильно влияют на механические свойства, резко снижая прочность металлов.

Поверхностные несовершенства. Этими несовершенствами являются гра-

ницы зерен и блоков металла. На границе между зернами атомы имеют менее правильное расположение, чем в объеме зерна. Зерна разориентированы, по-

вернуты друг относительно друга на несколько градусов. По границам зерен скапливаются дислокации и вакансии. Зерно состоит из большого числа разо-

риентированных на очень небольшие углы (десятые доли градусов) областей,

называемых субзернами или блоками (рис. 4), границы которых представляют собой дислокации, разделяющие зерно на блоки.

§3. Анизотропия кристаллов

Вразличных плоскостях кристаллической решетки атомы расположены с различной плотностью и поэтому многие свойства кристаллов в различных на-

правлениях различны. Такое различие называется анизотропией.

Все кристаллы анизотропны. В отличие от кристаллов аморфные тела

(например, смола) в различных направлениях имеют в основном одинаковую плотность атомов и, следовательно, одинаковые свойства, т. е. они изотропны.

Степень анизотропности может быть значительной. Исследования моно-

кристалла (единичного кристалла) меди в различных направлениях показали,

что предел прочности изменяется от 120 до 360 МН/м2 (oт 12 до 36 кгс/мм2), а

удлинение oт 10 до 55%.

В металлах, состоящих из большого количества по-разному ориентиро-

ванных мелких анизотропных кристаллов (поликристалл), свойства во всех на-

правлениях одинаковы (усредненные). Эта кажущаяся независимость свойств от направления называется квазиизотропией.