ткм

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО «СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

В.П. Перминов, В.А. Неронов

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ

Рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим центром высшего профессионального образования (СибРУМЦ)

для межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению

280101 – Безопасность жизнедеятельности

Новосибирск

СГГА

2008

УДК 669.017 ББК 30.3 П275

Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор Новосибирского государственного технического университета

А.А. Батаев

Доктор технических наук, главный научный сотрудник Института теплофизики СО РАН

А.Б. Каплун

Кандидат технических наук, профессор Сибирской государственной геодезической академии

А.Н. Соснов

Перминов, В.П.

П275 Материаловедение и технология материалов [Текст] : учеб. пособие для вузов / В.П. Перминов, В.А. Неронов. – Новосибирск: СГГА, 2008. – 173 с.

ISBN 978-5-87693-287-7

Книга является учебным пособием для студентов специальности 280101 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» и рекомендуется для использования в процессе изучения учебной дисциплины «Материаловедение и технология конструкционных материалов» студентами специальностей: 200107 «Технология приборостроения», 200200 «Оптотехника», 200203 «Оптико-электронные приборы и системы», 200501 «Метрология и метрологическое обеспечение», 170101 «Испытание и эксплуатация техники». Может быть полезна начинающим инженерам и научным работникам, специализирующимся в области материаловедения и технологии материалов.

В настоящем пособии изложены вопросы атомно-кристаллического строения и кристаллизации, пластической деформации и механические свойства металлов; рассмотрены диаграммы состояния системы «железо – углерод», теория и технология термической и химико-термической обработки; приведены сведения о жаропрочных, износостойких, инструментальных, конструкционных и электротехнических сталях и других сплавах, резинах и пластмассах; даны теоретические и технологические основы производства металлов, основы порошковой металлургии, теории и практики получения и формообразования заготовок, изготовления полуфабрикатов и деталей из композиционных материалов, а также резины, электрофизические и электрохимические способы обработки.

Ответственный редактор: доктор технических наук, профессор

Сибирской государственной геодезической академии И.Г. Вовк

	© ГОУ ВПО «Сибирская государственная
ISBN 978-5-87693-287-7	геодезическая академия» (СГГА), 2008

СОДЕРЖАНИЕ

От авторов			............................................................................................................	7
Часть i материаловедение .................................................................................				11
Глава 1.		.......................................................................	Строение металлов	11
1.1.		Атомно ..................................-кристаллическое строение металлов		11
1.2.	Дефекты .......................................................в реальных кристаллах			13
1.3.	Диффузионные .................................................процессы в металле			18
Глава 2.			Формирование структуры металлов и сплавов при
кристаллизации .........................................................................................				20
2.1.		Кристаллизация ..................................................................металлов		20
2.2.		Гомогенное .................................................образование зародышей		22
2.3.		Гетерогенное ..............................................образование зародышей		25
2.4.		Кристаллизация .....................................................................сплавов		26
2.5.		Строение ......................................................металлического слитка		26
2.6.		Высокоскоростная ..................................кристаллизация металлов		30
2.7.		Полиморфные ...............................................................превращения		30
Глава 3.		.............................	Механические свойства металлов и сплавов	32
3.1. Общие ..............................................................сведения о свойствах				32
3.2.		Механические ......................................................................свойства		32
3.2.1. ............................................................			Испытание на растяжение	33
3.2.2. ......................................................................			Твѐрдость металлов	36
3.2.3. ...........................................................................			Ударная вязкость	38
3.2.4. .......................................................................			Усталость металлов	40

3.3.Влияние температуры на прочностные и пластические свойства

металлов. Ползучесть, длительная прочность .................................

40

3.4.Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного

	металла .................................................................................................	42
3.5. Деформация и разрушение металлов ................................................		44
Глава 4.	Взаимоотношения компонентов в двойных сплавах.................	46
Глава 5.	Диаграммы состояния и структуры двойных сплавов ..............	50

5.1.Диаграмма состояния системы, в которой компоненты образуют

	непрерывный ряд твѐрдых растворов ...............................................	51
5.2.	Диаграмма состояния эвтектического типа ......................................	54
5.3.	Диаграмма состояния перитектического типа .................................	58

5.4.Диаграммы состояния систем, в которых компоненты образуют

	химические соединения .....................................................................		60
5.5.	Диаграммы «состав – свойство»........................................................		62
Глава 6.		Диаграммы состояния системы «железо – углерод».................	64
Глава 7.		Теория термической обработки стали ........................................	71
7.1. Превращения в стали при нагреве.....................................................			71
7.2.	Изотермический распад аустенита ....................................................		72
7.2.1.		Перлитное превращение...............................................................	73
7.2.2.		Мартенситное превращение ........................................................	75
7.2.3.		Бейнитное превращение...............................................................	76

7.3.	Распад аустенита при непрерывном охлаждении ............................		77
7.4.	Превращения в закалѐнной стали при нагреве (отпуск стали).......		78
Глава 8.		Технология термической обработки стали.................................	81
8.1.		Отжиг стали .........................................................................................	81
8.2.		Нормализация стали............................................................................	83
8.3.		Закалка стали .......................................................................................	84
8.4.		Отпуск закалѐнной стали....................................................................	86
Глава 9.		Химико-термическая обработка ..................................................	87
9.1.		Цементация ..........................................................................................	87
9.2.		Азотирование (нитрирование) ...........................................................	88

9.3.Одновременное насыщение стали углеродом и азотом

	(нитроцементация)..............................................................................		90
9.4.	Алитирование ......................................................................................		91
9.5.	Борирование.........................................................................................		92
Глава 10. Металлические конструкционные материалы ...........................			94
10.1. Конструкционные стали .....................................................................			94
10.2.	Конструкционные сплавы на основе алюминия, титана, магния,
	меди, никеля и цинка ........................................................................		100
10.3. Конструкционные порошковые материалы ....................................			106
Глава 11.		Инструментальные стали ...........................................................	108
11.1.	Углеродистые и легированные стали для режущего инструмента
	.............................................................................................................		109
11.2.	Стали для измерительного инструмента.........................................		111
11.3.	Штамповые стали..............................................................................		111
Глава 12.		Электротехнические материалы................................................	113
12.1. Электротехнические стали ...............................................................			113
12.2. Сплавы с высоким электросопротивлением...................................			114
Глава 13.		Неметаллические материалы .....................................................	115
13.1. Резины ................................................................................................			115
13.2. Пластические массы..........................................................................			116
Часть II. Основы производства материалов..................................................			118
Глава 14. Теоретические основы производства металлов.......................			118
Глава 15. Технологические основы металлургического производства..			123
15.1. Металлургия чугуна..........................................................................			123
15.2. Металлургия стали ............................................................................			124
15.3. Металлургия цветных металлов ......................................................			127
15.3.1. Производство меди .....................................................................			127
15.3.2. Производство алюминия ............................................................			128
15.3.3. Производство магния..................................................................			128
15.3.4. Производство титана ..................................................................			129
Глава 16. Основы порошковой металлургии. Напыление материалов ..			131
16.1. Основы порошковой металлургии...................................................			131
16.2. Напыление материалов .....................................................................			131
Часть III. Теория и практика формообразования заготовок........................			133
Глава 17.		Производство заготовок способом литья .................................	133

17.1. Технологические основы литейного производства .......................		133
17.1.1. Технологические особенности литья в песчаные формы.......		133
17.1.2. Изготовление песчаных форм....................................................		133
17.1.3. Заливка форм, охлаждение, выбивка и очистка отливок ........		134
17.1.4. Специальные способы литья .....................................................		136
17.1.5. Литьѐ в оболочковые формы......................................................		136
17.1.6. Литьѐ по выплавляемым моделям.............................................		137
17.1.7. Кокильное литьѐ..........................................................................		139
17.1.8. Литьѐ с применением внешних воздействий на жидкий и
	кристаллизующийся металл ......................................................	140
17.2. Сравнительная оценка способов литья ...........................................		148
Глава 18.	Производство заготовок пластическим деформированием ....	150
18.1. Общие сведения.................................................................................		150
18.2. Получение машиностроительных профилей..................................		153
18.2.1. Прокатное производство ............................................................		153
18.2.2. Волочение ....................................................................................		157
18.2.3. Прессование.................................................................................		158
18.2.4. Гидроэкструзия............................................................................		159
18.2.5. Свободная ковка ..........................................................................		160
18.2.6. Горячая объѐмная штамповка ....................................................		161
18.2.7. Холодная объѐмная штамповка .................................................		162
18.2.8. Листовая штамповка...................................................................		163
Глава 19.	производство неразъѐмных соединений ...................................	166
19.1. Сварочное производство...................................................................		166
19.1.1. Термические виды сварки ..........................................................		167
19.1.2. Термомеханические виды сварки ..............................................		169
19.1.3. Механические виды сварки .......................................................		170
19.2. Пайка материалов ..............................................................................		171
19.3. Получение неразъѐмных соединений склеиванием.......................		172
Глава 20. Изготовление полуфабрикатов и деталей из композиционных
материалов ...............................................................................................		173
20.1. Физико-технологические основы получения композиционных
материалов .........................................................................................		173
20.1.1. Изготовление полуфабрикатов и изделий из металлических
	композиционных материалов (МКМ) .......................................	174
20.1.2. Особенности получения деталей из композиционных
	порошковых материалов ............................................................	175
20.1.3. Изготовление полуфабрикатов и деталей из эвтектических
	композиционных материалов (ЭКМ) ........................................	175
20.1.4. Изготовление деталей из полимерных композиционных
	материалов (ПКМ) ......................................................................	176
Глава 21. Изготовление резиновых деталей и полуфабрикатов .............		178
Глава 22. Формообразование поверхностей деталей резанием ..............		179
22.1. Кинематические и геометрические параметры процесса резания
.............................................................................................................		179

22.2. Физико-химические основы резания ..............................................	181
22.3. Обработка лезвийным и абразивным инструментами ..................	182
22.4. Условие непрерывности и самозатачиваемости.............................	183
Глава 23. Формообразование поверхностей деталей электрофизическими
и электрохимическими способами ........................................................	185
Библиографический список ...........................................................................	190

Светлой памяти нашего незабвенного учителя Григория Валентиновича Самсонова посвящаем

ОТ АВТОРОВ

История человечества неразрывно связана с разработкой и освоением новых материалов. Вспомним: костяной век, каменный, бронзовый, железный… Основами научно-технического прогресса являются энергетика, автоматизация и материалы, причѐм в этой триаде материалы занимают особое место, так как от уровня их разработки зависит развитие и энергетики и автоматизации. С разработкой материалов неразрывно связаны вопросы

экологии.

Современная наука и техника не могли бы существовать, если бы человечество не располагало самыми разнообразными материалами: то сверхтвѐрдыми, то очень пластичными, то высокотемпературными, то с низкой температурой плавления, то удивительно химически стойкими, то легко поддающимися действию различных реагентов и т. п. Высокотемпературные сверхпроводники, радиационностойкие, жаростойкие, жаропрочные, высокоизносостойкие и другие материалы с ценными свойствами активно вторгаются в нашу жизнь.

Материаловедение – наука, изучающая связь между составом, структурой и свойствами материалов. Материаловедение явилось естественным продолжением металловедения, развитие которого неразрывно связано с работами гениального русского учѐного Михаила Васильевича Ломоносова (1711–1765). Определяя металл как «светлое тело, которое ковать можно», он подчеркнул высокую отражательную способность металлических тел и их высокую пластичность. Кроме того, М.В. Ломоносов подметил кристалличность самородных меди и золота. Понятие о кристалличности твѐрдых металлов легло в основу современной научной трактовки ряда характеристик металлов.

Основоположниками современного металловедения явились наши соотечественники – заводские инженеры Павел Петрович Аносов (1799–1851) и Дмитрий Константинович Чернов (1839–1921).

Работы П.П. Аносова по производству стали приобрели всемирную известность. Наряду с такими выдающимися открытиями и технически ценными разработками, как новый способ закалки в «сгущѐнном» (т. е. сжатом) воздухе, приготовление литой стали и другими методами, им впервые в мире была применена газовая цементация металла, которая в настоящее время нашла широкое распространение. В 1831 г. П.П. Аносов первым в мире применил обычный микроскоп для изучения строения стали на полированных и травлѐных шлифах, положив тем самым начало микроскопическому анализу металлов. Лишь в 1863 г. этот же метод исследования был применѐн английским учѐным Сорби. Российский учѐный-инженер первым раскрыл тайну булата. Благодаря своим беспримерным свойствам, булатная сталь

Аносова прославила Россию на весь мир. В результате исследований П.П. Аносов установил влияние строения стали на ее свойства.

Заслуга Д.К. Чернова состоит в преобразовании металловедения из чисто описательного направления в науку, указывающую пути изменения структуры и свойств металлов в зависимости от условий их кристаллизации, механической и термической обработки.

В 1868 г. на заседании Императорского русского технического общества Д.К. Черновым было сделано сообщение об открытии, значение которого невозможно переоценить. Невооружѐнным глазом, не имея прибора для определения температуры раскалѐнной стали, он установил, что при еѐ охлаждении в тот момент, когда цвет становится уже тѐмно-красным, в стали происходит какое-то превращение, в результате которого цвет становится вновь ярче и светлее. Д.К. Чернов связал обнаруженные им изменения цвета с изменением внутреннего строения стали.

Д.К. Черновым было введено понятие о критических точках – тех температурах, при которых в сплавах происходят внутренние превращения. Он показал, что с изменением содержания главной примеси к железу – углерода – положение критических точек изменяется. Построив температурную зависимость положения этих точек от содержания углерода, Д.К. Чернов, по существу, предложил диаграмму состояния железоуглеродистых сплавов в еѐ части, относящейся к сталям, что послужило теоретическим фундаментом для создания науки о металлах.

В1878 г. Д.К. Чернов опубликовал работу, посвящѐнную кристаллизации металлов и строению слитка, где с исключительной прозорливостью указал перспективность таких развивавшихся в 20-м столетии новейших методов литья, как литьѐ с направленной кристаллизацией, центробежное литьѐ, литьѐ с кристаллизацией под давлением.

Заслуги Д.К. Чернова в развитии науки о металлах настолько велики и бесспорны, что даже иностранцы, не всегда признававшие приоритет русской науки, не могли отрицать их значение. В 1900 г. на открытии Всемирной выставки в Париже, собравшей крупнейших металлургов того времени, председательствовавший на собрании французский металлург Монгольфье заявил: «Считаю своим долгом открыто и публично заявить в присутствии стольких знатоков и специалистов, что наши заводы и все сталелитейное дело обязаны настоящим своим развитием и успехом в значительной степени трудам

иисследованиям русского инженера Чернова и приглашаю Вас выразить ему нашу признательность и благодарность от имени всей металлургической промышленности».

В1903 г. известный американский металлург Х. Гоу, весьма критически относившийся к разного рода достижениям, свой первый в мире большой труд по металловедению «Железо, сталь и другие сплавы» посвятил Д.К. Чернову, назвав его «отцом металлографии железа».

Развитие металловедения неразрывно связано с работами русских академиков Николая Семѐновича Курнакова (1860–1941), Александра Александровича Байкова (1870–1946) и их школ, английских учѐных Г.К. Сорби

и Робертс-Аустена, французских учѐных Осмонда и Ле-Шателье, немецкого учѐного Таммана и др.

Открытие Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834–1907) периодической системы химических элементов в 1869 г. сыграло решающую роль в обеспечении научной физико-химической базы не только металловедения, но и материаловедения в целом.

Бурное развитие в 20-м столетии металловедения привело к тому, что уже в 50–60-х гг. из металлов было «выжато» практически всѐ. Потребности промышленности требовали создания материалов, способных эксплуатироваться в условиях высоких температур, скоростей и напряжений, агрессивных сред. Науке и технике требуются современные жаропрочные, коррозионностойкие, сверхтвердые, высокоизносостойкие, сверхпроводящие, диэлектрические, полупроводниковые и другие материалы. Поэтому металловедение как бы уступает место материаловедению. Создаются кафедры, лаборатории, отделы, институты и департаменты, где занимаются не узкоотраслевыми проблемами, а разрабатываются принципы формирования материалов с заданными свойствами. Металловедческие журналы переименовываются в материаловедческие, создаются новые журналы по материалам. Статус материаловедения возрастает: наука о материалах становится в одном ряду с физикой, химией, биологией и другими естественными науками.

Особенно велика роль в создании науки о материалах членакорреспондента АН УССР Григория Валентиновича Самсонова. За короткую жизнь (1918–1975), промелькнувшую как очень яркий метеор, он сделал столько, сколько редко кому удавалось. Он выполнил фундаментальные исследования, вскрывающие физико-химические основы образования практически всех классов тугоплавких соединений: боридов, карбидов, нитридов, силицидов, фосфидов, алюминидов, антимонидов и др. Им были проведены глубокие исследования в области химической связи и электронного строения тугоплавких соединений с использованием квантово-химических расчетов, в области теории и технологии порошковой металлургии. Эти исследования, отражающие принципы формирования материалов с заданными свойствами, явились основой для разработки промышленных технологий получения около пятисот соединений, которые коллеги в честь их создателя назвали «самсонидами». Свыше сорока монографий и справочников написано Г.В. Самсоновым лично или в соавторстве. Среди его учеников – более ста семидесяти кандидатов и около двадцати докторов наук, в том числе авторы настоящей книги.

Авторы предлагаемого учебного пособия принадлежат к школе Г.В. Самсонова. Они являются специалистами в области синтеза неорганических материалов, авторами ряда монографий по тугоплавким и интерметаллическим соединениям.

Учебное пособие соответствует учебной программе курса «Материаловедение и технология материалов», который читается в Сибирской государственной геодезической академии студентам, обучающимся по

специальности 280101 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», и рекомендуется для использования в процессе изучения учебной дисциплины «Материаловедение и технология конструкционных материалов» студентами специальностей: 200107 – Технология приборостроения, 200200 – Оптотехника, 200203 – Оптико-электронные приборы и системы, 200501 – Метрология и метрологическое обеспечение, 170101 – Испытание и эксплуатация техники (электроника).

Пособие написано на основе как «старых», но не устаревших по своему духу и ставших классическими, учебников, так и вышедших в последние годы, а также с учѐтом новой научной литературы, собственного научноисследовательского, педагогического и производственного опыта авторов.

При подготовке издания большую помощь оказала кафедра материаловедения в машиностроении Новосибирского государственного технического университета, за что авторы считают своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность еѐ коллективу (зав. кафедрой доктор технических наук, профессор А.А. Батаев).

Выражаем признательность рецензенту, доктору технических наук А.Б. Каплуну, а также старшему преподавателю кафедры технологии оптического производства СГГА Т.В. Лариной за полезные советы, заведующему кафедрой БЖД СГГА профессору В.И. Татаренко за помощь в издании пособия.

Авторы благодарны А.В. Перминову за финансовую поддержку издания и адресуют свою признательность студентам, с помощью которых они учились как писать более совершенные книги.

Мы будем благодарны за все критические замечания и пожелания в адрес настоящего издания.