Лахтин_Матеориаловедение

Ю. М.Лахтин

В. П. Леонтьева

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

3-е издание, переработанное и дополненное

Допущено Государственным комитетом СССР по народному образованию в качестве учебника для высших технических учебных заведений

МОСКВА «МАШИНОСТРОЕНИЕ»

1990

ББК 30.3я73 Л29 УДК 620.22

(075.8)

Рецензент — кафедра «Металловедение и химия» Московского станкоинструментального института (д-р техн. наук проф. Л. С. Кремнев)

Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П.

Л29 Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. —3-е изд., перераб. и доп. —М.:

Машиностроение, 1990. —528 с: ил. ISBN 5-217-00858-

Х

В третьем издании (2-е изд. 1980 г.) рассмотрены кристаллическое строение металлов, процессы пластической деформации и рекристаллизации. Изложены современные методы испытания и критерии оценки конструктивной прочности материалов, определяющие их надежность и долговечность. Описаны фазы, образующиеся в сплавах, и диаграммы состояния.

Большое внимание уделено теории и технологии термической обработки и другим видам упрочнения. Рассмотрены все классы сталей, цветные металлы и неметаллические соединения.

УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ

Лахтин Юрий Михайлович Леонтьева Валентина Петровна

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Редактор Н. Г. Сальникова

Художественный редактор А. С. Вершинкин

Технический редактор И. Н. Раченкова

Корректоры: Т. В. Багдасарян, О. Е. Мишина

ИБ № 6260

Сдано в набор 28.08.89. Подписано в печать 03.01.90. Т-02102. Формат 60x901/10· Бумага кн-жур № 2. Гарнитура литературная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 33,0. Усл. кр.-отт. 33,0. Уч.-изд. л. 38,0. Тираж 118 000 экз. Заказ 831. Цена 1 р. 60 к.

Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Машиностроение», 107076, Москва, Стромынский пер., 4

Типография № 6 ордена Трудового Красного Знамени издательства «Машиностроение» при Государственном комитете СССР по печати. 193144, г. Ленинград, ул. Моисеенко, 10

ISBN 5-217-00858-Х © Издательство«Машиностроение», 1980

©Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева, 1990,

сизменениями

ПРЕДИСЛОВИЕ

Курс «Материаловедение», в котором изучаются закономерности, определяющие строение и свойства материалов в зависимости от их состава и условий обработки, является одним из основных в цикле дисциплин, определяющих подготовку инженеров-ма- шиностроителей.

Ускорение развития машиностроения — основной отрасли народного хозяйства — во многом зависит от успехов в создании и реализации эффективных и ресурсосберегающих материалов и технологий. Поэтому выпускники машиностроительных вузов должны обладать достаточными знаниями для правильного выбора материала, метода его упрочнения и снижения металлоемкости изделия при одновременном достижении наиболее высокой технико-экономической эффективности. Это основная задача курса «Материаловедение».

Учебник написан в соответствии с программой курса «Материаловедение» для высших учебных заведений. Курс «Материаловедение» включает две самостоятельные части; металловедение и термическая обработка металлов; неметаллические материалы (полимеры, керамика, стекло, резина, древесина и т.

д.).

Несмотря на все более широкое использование неметаллических материалов, металлы и сплавы останутся и в ближайшем будущем основным конструкционным и инструментальным материалом. Поэтому в учебнике основное внимание уделено металлам.

Часть I «Металловедение и термическая обработка» в третьем издании претерпела значительные изменения. Помимо внесения изменений, связанных с развитием науки о металлах, в учебник введены новые разделы.

Сделана попытка дать некоторые исходные соображения о выборе стали и метода упрочнения типовых деталей машин, конструкции и инструмента. Описаны основные виды повреждения деталей машин (хрупкое и вязкое разрушение, деформация, изнашивание и др.). Рассмотрены принципы выбора комплекса прочностных свойств, которые определяют работоспособность металла (стали) при эксплуатации деталей машин. Дана классификация критериев оценки конструктивной прочности стали,

1*

3

определяющих ее долговечность и надежность. Систематизированы пути повышения прочности металлов и сплавов.

Вкниге описаны новые технологические процессы термической и химико-термической обработки.

Большое внимание уделено порошковым материалам, сплавам

оэффектом памяти, высокопрочным мартенситно-стареющим сталям и т. д.

Вавиации и космонавтике нашли широкое применение композиционные материалы на основе металлов, полимеров и керамики. Нет сомнения, что в недалеком будущем они получат применение и в других отраслях машиностроения (автомобильной, станкостроении, в химическом машиностроении и др.). Поэтому в учебнике дано подробное их описание.

Впервые введен раздел, посвященный поверхностному деформационному упрочнению, широко применяемому в машиностроении для повышения долговечности деталей машин. Указаны возможности использования ЭВМ для металловедческих исследований, решения технологических вопросов и управления оборудованием в термических цехах.

Часть II книги посвящена неметаллическим материалам. Этот раздел учебника также претерпел значительные изменения. Расширены сведения о старении полимеров, действии радиации, освещен процесс абляции. Переработан раздел термостойких пластиков, приведены новые виды стеклопластиков и сотопласты, описаны металлокерамические материалы, износостойкие резины и новые теплостойкие клеи, работающие длительно при температуре до 600 °С и кратковременно при температуре до

1200 °С.

Учебник будет полезен при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Втретьем издании учтены замечания, сделанные по второму изданию. Авторы признательны всем коллегам, сделавшим свои замечания по книге, направленные на ее улучшение, и приносят глубокую благодарность доктору технических наук, профессору, зав. кафедрой «Металловедение и химия» Московского станкоинструментального института Л. С. Кремневу, сделавшему ряд ценных замечаний при рецензировании рукописи учебника.

Часть I «Металловедение и термическая обработка металлов» написана проф. Ю. М. Лахтиным, а часть II «Неметаллические материалы» — доц. В. П. Леонтьевой.

ЧАСТЬ I

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

ВВЕДЕНИЕ

Металловедением называется наука, устанавливающая связь между составом, структурой и свойствами металлов и сплавов и изучающая закономерности их изменения при тепловых, химических, механических, электромагнитных и радиоактивных воздействиях.

Впервые существование связи между строением стали и ее свойствами было установлено П. П. Аносовым (1799—1839 гг.).

Основы научного металловедения были заложены выдающимся русским металлургом Д. К. Черновым (1839—1921 гг.), который за свои работы был назван в литературе «отцом металлографии».

В начале XX в. большую роль в развитии металловедения сыграли работы Н. С. Курнакова, который применил для исследования металлов методы физико-химического анализа.

Большое значение в развитии металловедения и термической обработки имели работы Осмонда (Франция), Юм-Розери и Мотта (Англия), Зейтца, Бейна и Мейла (США), Таммана и Ганемана (Германия) и др.

Развитие металловедения неразрывно связано с работами советских ученых. После Великой Октябрьской социалистической революции, особенно в период индустриализации страны, возникли многочисленные исследовательские лаборатории на заводах и во втузах, а также был создан ряд специализированных исследовательских институтов, в которых развернулась широкая работа в области металловедения и термической обработки металлов.

Большой вклад в развитие отечественного металловедения внесли 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. Садовский, И. И. Сидорин, А. П. Гуляев и их последователи.

Все металлы и сплавы принято делить на две группы. Железо и сплавы на его основе (сталь, чугун) называют

черными металлами, а остальные металлы (Be, Mg, Al, Ti, V, Cr, Μn, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ag, Sn, W, Au, Hg, Pb и

др.) и их сплавы — цветными.

Наибольшее применение нашли черные металлы. На основе железа изготовляется не менее 90—95 % всех конструкционных и инструментальных материалов. Широкое распространение же-

5

леза и его сплавов связано с большим содержанием его в земной коре, низкой стоимостью, высокими технологическими и механическими свойствами. Стоимость цветных металлов во много раз выше стоимости железа и его сплавов.

Кобальт, никель, а также близкий к ним по свойствам марганец нередко относят к металлам железной группы. Цветные металлы по сходным свойствам подразделяют на легкие металлы (Be, Mg, Al, Ti), обладающие малой плотностью; легкоплавкие металлы (Zn, Cd, Sn, Sb, Hg, Pb, Bi); тугоплавкие металлы (Ti, Cr, Zr, Nb, Mo, W, V и др.) с температурой плавления выше, чем у железа (1539 °С); благородные металлы (Ph, Pd, Ag, Os, Pt, Аи и др.), обладающие химической инертностью; урановые металлы (U, Th, Pa) — актиноиды, используемые в атомной технике; редкоземельные металлы (РЗМ), лантаноиды (Се, Pr, Nd, Sm и др.) и сходные с ними иттрий и скандий, применяемые как присадки к различным сплавам; щелочноземельные металлы (Li, Na, К), используемые в качестве теплоносителей в ядерных реакторах.

Современное машиностроение характеризуют непрерывно растущая энергонапряженность, а также тяжелые условия эксплуатации машин (высокий вакуум, низкие или высокие температуры, агрессивные среды и т. д.). Такие условия работы машин предъявляют к материалам особые требования. Для удовлетворения этих требований создано много сплавов на основе различных металлов.

Всовременной технике широко применяют стали, обеспечивающие высокую конструктивную прочность, и сплавы, которые остаются прочными при высоких температурах, вязкими при температурах, близких к абсолютному нулю, обладающие высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах или другими физико-химическими свойствами.

Число новых сплавов непрерывно растет.

Вспециальном машиностроении все шире применяют так называемые композиционные материалы, сплавы с памятью формы и др.

За последние годы достижения материаловедения обеспечили небывалый прогресс в разработке конструкционных и инструментальных материалов в различных областях техники. Исследования реальной структуры твердых тел показали принципиальную возможность получения сплавов с прочностью, приближающейся к теоретической, определяемой прочностью межатомных связей.

Развитие физического материаловедения позволяет предполагать, что в ближайшем будущем будут разработаны специальные стали и сплавы с временным сопротивлением σΒ = 3500÷ 6000 МПа и легкие сплавы с σΒ = 1000÷1500 МПа.

Г Л А В А 1. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

1. ОБЩАЯХАРАКТЕРИСТИКА И СТРУКТУРНЫЕ МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЯМЕТАЛЛОВ

Все металлы и металлические сплавы — тела кристаллические, атомы (ионы) расположены в металлах закономерно в отличие от аморфных тел, в которых атомы расположены хаотично.

Металлы (если их получают обычным способом) представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких (10-1—10-5 см), различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов.

В процессе кристаллизации они приобретают неправильную форму и называются кристаллитами, или зернами.

Металлы в твердом и отчасти в жидком состоянии обладают рядом характерных свойств:

высокими теплопроводностью и электрической проводимостью; положительным температурным коэффициентом электрического

сопротивления; с повышением температуры электрическое сопротивление чистых металлов возрастает; большое число, металлов (~30) обладает сверхпроводимостью (у этих металлов при температуре, близкой к абсолютному нулю, электрическое сопротивление падает скачкообразно, практически до нуля);

термоэлектронной эмиссией, т. е. способностью испускать электроны при нагреве;

хорошей отражательной способностью: металлы непрозрачны и обладают металлическим блеском;

повышенной способностью к пластической деформации. Наличие этих свойств и характеризует так называемое

металлическое состояние веществ.

Чистые металлы1 в обычном структурном состоянии обладают низкой прочностью и не обеспечивают во многих случаях требуемых свойств, поэтому они применяются сравнительно редко. Наиболее широко используются сплавы. Сплавы получают сплавлением или спеканием порошков двух или более металлов или металлов с неметаллами. Они обладают характерными свойствами, присущими металлическому состоянию. Химические элементы, образующие сплав, называют компонентами. Сплав может состоять из двух или большего числа компонентов.

В металловедении широко используются понятия «система»,

«фаза», «структура». Совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия, называют системой. Фазой называют однородные

1 Понятие чистый металл весьма условное. В дальнейшем под термином «чистый металл» будем принимать металл чистотой 99,99—99,999 %. Во всех остальных случаях подразумевается технически чистый металл с малым количеством примесей (99,5— 99,9%), получаемый обычным заводским способом.

7

(гомогенные) составные части системы, имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение и свойства, одно и то же агрегатное состояние и отделенные от составных частей поверхностями раздела. Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения соответствующих фаз в металлах и сплавах.

Структурными составляющими сплава называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями.

Различают макроструктуру (строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении в 30—40 раз) и микроструктуру (строение металла или сплава, наблюдаемое с помощью микроскопа при больших увеличениях).

Макроструктуру исследуют на специальных макрошлифах (темплетах). Для приготовления макрошлифа образцы вырезают из крупных заготовок (слитков, поковок и т. д.) или изделий, поверхность которых шлифуют, полируют, а затем подвергают травлению специальными реактивами.

При исследовании макрошлифа можно обнаружить форму и расположение зерен в литом металле (рис. 1, а, б); волокна (де-

8

формированные кристаллиты) в поковках и штамповых заготовках (рис. 1, в), дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочную рыхлость, газовые пузыри, раковины, трещины и т. д.); химическую неоднородность сплава, вызванную процессом кристаллизации или созданную термической или химикотермической (цементация, азотирование и т. д.) обработкой.

Микроструктура показывает (рис. 2, а, б) размер и форму зерен, взаимное расположение фаз, их форму и размеры.

Для определения микроструктуры из исследуемого металла изготовляют микрошлиф, т. е. небольшой образец, одну из плоскостей которого тщательно шлифуют, полируют и подвергают травлению специальными реактивами.

Микроструктуру металлов наблюдают в микроскопе — оптическом или электронном.

Разрешающая способность оптического микроскопа, т. е. минимальная величина объекта (детали структуры), которая различима с его помощью, не превышает 0,2 мкм (200 нм). Полезное увеличение в оптическом микроскопе достигает примерно 2000 раз. Применение больших увеличений бесполезно, так как новые, более мелкие детали структуры не становятся видимыми, меняется только масштаб изображения, поскольку разрешающая способность, определяемая волновой природой света, не меняется.

Разрешающая способность электронных микроскопов значительно выше оптических. Использование электронных лучей, обладающих очень малой длиной волны ((0,04—0,12) 10-1 нм), дает возможность различать детали изучаемого объекта размером до 0,2—0,5 нм.

9

Наибольшее распространение нашли просвечивающие электронные микроскопы ПЭМ, в которых поток электронов проходит через изучаемый объект, представляющий собой тонкую фольгу. Получаемое изображение является результатом неодинакового рассеяния электронов на объекте.

ПЭМ позволяет подробно изучать субструктуру металла. Одно из наиболее важных достижений электронной

микроскопии — возможность прямого наблюдения дефектов кристаллической структуры. На рис 2, в показана микроструктура, полученная с помощью электронного микроскопа.

Очень большое применение получили растровые электронные микроскопы (РЭМ), в которых изображение создается благодаря вторичной эмиссии электронов, излучаемых поверхностью, на которую падает непрерывно перемещающийся по этой поверхности поток первичных электронов.

Растровый микроскоп позволяет изучать непосредственно поверхность металла, однако он имеет меньшую разрешающую способность (25—30 нм), чем просвечивающий электронный микроскоп.

В последние годы для оценки металлургического качества металла, закономерностей процесса разрушения, влияния структурных, технологических и других факторов на разрушение широко применяют методы фрактографии — области знания о строении изломов.

Под изломом понимают поверхность, образующуюся в результате разрушения металла. Вид излома определяется условиями нагружения, кристаллографическим строением и микроструктурой металла (сплава), формируемой технологией его выплавки, обработки давлением, термической обработки, температурой и средой, в которых работает конструкция.

Изломы изучают на макро- и микроуровне (при увеличениях до 50 тыс. крат и выше). Метод визуального изучения изломов, а также с помощью светового микроскопа при небольших увеличениях называется фрактографией. Исследование особенностей тонкой структуры изломов под электронным или растровым микроскопом носит название микрофрактографии

(рис. 3).

Для изучения атомно-кристаллического строения применяют рентгеноструктурный анализ. Он основан на дифракции рентге-

10