Электронный

учебно-методический комплекс

ТЕХНОЛОГИЯ

КОНСТРУКЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Учебная программа дисциплины

Учебное пособие Лабораторный практикум

Методические указания по самостоятельной работе

Банк тестовых заданий в системе UniTest

Красноярск ИПК СФУ

2008

УДК 621.7/.9 ББК 30.3

А91

Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Технология конструкционных материалов» подготовлен в рамках инновационной образовательной программы «Материаловедческое образование при подготовке бакалавров, инженеров и магистров по укрупненной группе образовательных направлений и специальностей ”Материаловедение, металлургия и машиностроение’’ в Сибирском федеральном университете», реализованной в ФГОУ ВПО СФУ в 2007 г.

Рецензенты:

Красноярский краевой фонд науки; Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов дисциплин

	Астафьева, Е. А.
А91	Технология конструкционных материалов. Версия 1.0 [Электронный ре-
	сурс] :	электрон.	учеб.	пособие /	Е. А. Астафьева,	Ф. М. Носков,
	Г. Ю. Зубрилов. – Электрон. дан. (11 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, 2008. –
	(Технология конструкционных			материалов : УМКД № 26-2007 / рук. творч.
	коллектива Е. А. Астафьева). – 1 электрон. опт. диск (DVD). – Систем. требова-
	ния : Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ;
	512 Мб оперативной памяти ; 11 Мб свободного дискового пространства ; при-
	вод DVD ; операционная система Microsoft Windows 2000 SP 4 / XP SP 2 / Vista
	(32 бит) ; Adobe Reader 7.0 (или аналогичный продукт для чтения файлов фор-
	мата pdf).
	ISBN 978-5-7638-1041-7 (комплекса)
	ISBN 978-5-7638-1412-5 (пособия)
	Номер гос. регистрации в			ФГУП	НТЦ «Информрегистр» 0320802389

от 27.11.2008 г. (комплекса)

Настоящее издание является частью электронного учебно-методического комплекса по дисциплине «Технология конструкционных материалов», включающего учебную программу, лабораторный практикум, методические указания по самостоятельной работе, организационно-методические указания, контрольно-измерительные материалы «Технология конструкционных материалов. Банк тестовых заданий», а также наглядное пособие «Технология конструкционных материалов. Презентационные материалы».

Рассмотрены основы строения конструкционных металлических и неметаллических материалов, приведены методы определения механических свойств материалов, представлена структура технологических процессов современного машиностроительного производства: литья, обработки давлением, резанием, сварки, а также основы сборки машин.

Предназначено для студентов направления подготовки бакалавров 150300.62 «Машиностроение» укрупненной группы 150000 «Материаловедение, металлургия и машиностроение».

© Сибирский федеральный университет, 2008

Рекомендовано Инновационно-методическим управлением СФУ в качестве учебного пособия

Редактор А. А. Гетьман

Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр технологий электронного обучения информационно-аналитического департамента СФУ; лаборатория по разработке мультимедийных электронных образовательных ресурсов при КрЦНИТ

Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного продукта запрещается. Встречающиеся названия программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрированными товарными знаками тех или иных фирм.

Подп. к использованию 25.09.2008 Объем 11 Мб

Красноярск: СФУ, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...........................................................................	11
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ
ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА.
ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ ...........................	12
1.1. Технологические возможности основных методов получения заготовок12
1.2. Термины и определения......................................................................................	15
1.3. Основные виды, качество и технологичность заготовок.............................	17
Глава 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В
МАШИНОСТРОЕНИИ, ИХ СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА И
КЛАССИФИКАЦИЯ ................................................................	20
2.1. Атомно-кристаллическая структура металлов................................................	20
2.2. Кристаллографические направления и плоскости.........................................	22
2.3. Дефекты кристаллической решетки металлов................................................	24
2.4. Свойства материалов...........................................................................................	28
2.5. Классификация металлических материалов....................................................	40
2.5.1. Сплавы на основе железа................................................................................	40
2.5.2. Классификация сталей.....................................................................................	43
2.5.3. Чугуны................................................................................................................	57
2.5.4. Инструментальные материалы .......................................................................	63
2.5.5. Цветные металлы и их сплавы........................................................................	65
2.6. Классификация неметаллических материалов...............................................	67
2.6.1. Строение и виды полимеров............................................................................	67
2.6.2. Строение стекла................................................................................................	70
2.6.3. Строение керамики...........................................................................................	71
Глава 3. ПРОИЗВОДСТВО МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ .................................	73
3.1. Основные направления металлургического производства.........................	73
3.2. Получение чугуна...................................................................................................	73
3.3. Производство стали..............................................................................................	76
3.3.1. Сущность процесса...........................................................................................	76

Технология конструкционных материалов. Учебное пособие

-3-

ОГЛАВЛЕНИЕ
3.3.2. Производство стали в кислородных конвертерах..........................................	76
3.3.3. Производство стали в электродуговых печах................................................	79
3.3.4. Разливка стали..................................................................................................	82
3.3.5. Способы повышения качества стали..............................................................	85
3.3.6. Прямое восстановление железа......................................................................	87
3.4. Производство цветных металлов......................................................................	89
3.4.1. Производство алюминия..................................................................................	89
3.4.2. Производство меди...........................................................................................	90
3.4.3. Производство магния........................................................................................	91
3.4.4. Производство титана........................................................................................	92
Глава 4. СПОСОБЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК
ДЕТАЛЕЙ МАШИН ...............................................................	94
4.1. Формообразующие технологические процессы.............................................	94
4.2. Изделия и покрытия, получаемые из материалов в парогазовой фазе ...	95
4.3. Получение заготовок из жидкой фазы методами литья и сварки
плавлением....................................................................................................................	98
4.4. Получение заготовок пластическим деформированием...............................	99
4.5. Факторы, определяющие выбор метода получения заготовки.................	101
Глава 5. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО – СПОСОБ
ПЕРВИЧНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК ИЗ
ЖИДКОПОДВИЖНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
............................................................................................ 105
5.1. Кристаллизация металлов.................................................................................	105
5.1.1. Физическая сущность процесса.....................................................................	105
5.1.2. Кристаллизация сплавов................................................................................	109
5.1.3. Форма кристаллов и строение слитков.........................................................	111
5.2. Сущность и значение технологического процесса формообразования
методами литья...........................................................................................................	115
5.2.1. Классификация литых заготовок...................................................................	116
5.2.2. Требования к литейным сплавам..................................................................	117
5.2.3. Литейные свойства сплавов...........................................................................	117
5.3. Способы изготовления отливок.......................................................................	118
5.3.1. Изготовление отливок в песчаных формах..................................................	119
Технология конструкционных материалов. Учебное пособие	-4-

ОГЛАВЛЕНИЕ
5.3.2. Приготовление формовочных и стержневых смесей и их свойства..........	121
5.3.3. Модельный комплект......................................................................................	123
5.3.4. Изготовление литейных форм.......................................................................	125
5.3.5. Специальные виды литья ..............................................................................	130
5.4. Особенности изготовления отливок из различных сплавов......................	138
5.5. Технологичность конструкций литых форм..................................................	140
5.5.1. Основы конструирования литых заготовок...................................................	140
5.5.2. Конфигурация отливок, получаемых литьем в песчаные формы..............	142
5.5.3. Выбор способа литья......................................................................................	144
Глава 6. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК
ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ.
ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ЗАГОТОВОК В ТВЕРДОМ
СОСТОЯНИИ ......................................................................	145
6.1. Виды обработки металлов давлением...........................................................	145
6.2. Влияние обработки металлов давлением......................................................	146
на структуру и свойства металлов..........................................................................	146
6.2.1. Механизм пластического деформирования .................................................	146
6.2.2. Особенности деформирования моно- и поликристаллов...........................	149
6.2.3. Свойства холоднодеформированных металлов..........................................	152
Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла.............	153
6.2.5. Горячая деформация......................................................................................	154
6.3. Влияние схемы напряженного состояния на пластичность.......................	157
6.4. Основные типы нагревательных устройств..................................................	158
6.5. Методы получения машиностроительных профилей.................................	161
6.5.1. Прокатное производство................................................................................	161
6.5.2. Получение профилей методами прессования и волочения.......................	171
6.6. Методы получения поковок деталей машин..................................................	175
6.6.1. Ковка металла.................................................................................................	175
6.6.2. Горячая объемная штамповка.......................................................................	187
6.7. Холодная листовая штамповка.........................................................................	200
6.7.1. Общая характеристика процессов получения изделий из листовых
заготовок....................................................................................................................	200
6.7.2. Основные технологические операции листовой штамповки.......................	201
Технология конструкционных материалов. Учебное пособие	-5-

ОГЛАВЛЕНИЕ
6.7.3. Конструирование технологичных изделий, изготавливаемых листовой
штамповкой................................................................................................................	205
Глава 7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ
ЗАГОТОВОК .......................................................................	207
7.1. Технологические особенности получения сварных соединений из
основных конструкционных материалов..............................................................	211
7.2. Сварка плавлением и резка металлов.............................................................	213
7.2.1. Электродуговая сварка...................................................................................	213
7.2.2. Источники сварочного тока............................................................................	215
7.2.3. Электроды для ручной электродуговой сварки............................................	221
7.2.4. Автоматическая дуговая сварка....................................................................	222
7.2.5. Плазменная сварка.........................................................................................	224
7.2.6. Электрошлаковая сварка...............................................................................	225
7.2.7. Лучевые способы сварки................................................................................	226
7.2.8. Газовая сварка................................................................................................	228
7.2.9. Резка металлов и сплавов .............................................................................	231
7.3. Сварка давлением...............................................................................................	234
7.3.1. Контактная сварка...........................................................................................	234
7.3.2. Диффузионная сварка....................................................................................	240
7.3.3. Сварка трением...............................................................................................	241
7.3.4. Общие принципы конструирования сварных заготовок..............................	242
7.3.5. Напряжения и деформации при сварке........................................................	242
7.3.6. Дефекты в сварных соединениях. Методы контроля качества..................	246
7.4. Пайка......................................................................................................................	249
Глава 8. КОМБИНИРОВАННЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ
ЗАГОТОВОК .......................................................................	251
Глава 9. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
............................................................................................	255
9.1. Порошковая металлургия..................................................................................	255
9.1.1. Методы получения порошков.........................................................................	256
9.1.2. Формообразование заготовок........................................................................	259

Технология конструкционных материалов. Учебное пособие

-6-

ОГЛАВЛЕНИЕ
9.1.3. Спекание..........................................................................................................	263
9.1.4. Изделия из порошковых композиционных материалов...............................	265
9.1.5. Проектирование технологичных заготовок...................................................	266
9.2. Способы формования изделий из пластмасс...............................................	267
9.3. Композиционные материалы. Классификация.............................................	275
Глава 10. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ОБРАБОТКИ
ЗАГОТОВОК В СОВРЕМЕННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ..........................................	280
10.1. Обработка заготовок на металлорежущих станках.....................................	280
10.1.1. Основы теории резания................................................................................	280
10.1.2. Элементы процесса резания и геометрия срезаемого слоя.....................	280
10.1.3. Элементы и части токарного прямого проходного резца..........................	283
10.1.4. Геометрия инструмента и ее влияние на процесс резания и качество
обработки...................................................................................................................	284
10.1.5. Физические основы процесса резания металлов......................................	286
10.1.6. Силы резания................................................................................................	288
10.1.7. Износ и стойкость режущего инструмента..................................................	290
10.1.8. Смазывающе-охлаждающие технологические среды...............................	292
10.1.9. Точность обработки и качество обработанной поверхности....................	293
10.1.10. Производительность обработки................................................................	294
10.2. Общие сведения о металлорежущих станках..............................................	295
10.2.1. Классификация металлорежущих станков.................................................	295
10.2.2. Кинематика станков......................................................................................	297
10.2.3. Кинематические схемы металлорежущих станков....................................	300
10.3. Обработка заготовок на станках токарной группы.....................................	302
10.3.1. Характеристика методов точения................................................................	304
10.3.2. Токарные резцы............................................................................................	304
10.3.3. Рабочие приспособления для токарной обработки...................................	305
10.3.4. Станки токарной группы и примеры обработки заготовок.........................	307
10.3.5. Технологические требования к деталям, обрабатываемым на станках
токарной группы........................................................................................................	315
10.4. Обработка заготовок на сверлильных станках...........................................	316

Технология конструкционных материалов. Учебное пособие

-7-

ОГЛАВЛЕНИЕ
10.4.1. Схемы обработки поверхностей на станках сверлильной группы ...........	317
10.4.2. Особенности процесса сверления ..............................................................	328
10.4.3. Режимы резания при сверлении..................................................................	328
10.4.4. Станки сверлильной группы.........................................................................	328
10.4.5. Технологические требования к деталям, обрабатываемым на
сверлильных станках................................................................................................	330
10.5. Обработка заготовок на расточных станках................................................	330
10.5.1. Особенности обработки заготовок на расточных станках.........................	331
10.5.2. Режущий инструмент....................................................................................	333
10.5.3. Технологическая оснастка, применяемая при растачивании...................	334
10.5.4. Расточные станки..........................................................................................	335
10.5.5. Технологические требования к деталям, обрабатываемым на расточных
станках.......................................................................................................................	338
10.6. Обработка заготовок на протяжных станках................................................	339
10.6.1. Элементы и геометрия режущей части протяжек......................................	339
10.6.2. Особенности процесса протягивания .........................................................	343
10.6.3. Протяжные станки.........................................................................................	345
10.6.4. Технологические требования к деталям, обрабатываемым на протяжных
станках.......................................................................................................................	347
10.7. Обработка заготовок на фрезерных станках...............................................	349
10.7.1. Схемы обработки поверхностей на станках фрезерной группы...............	349
10.7.2. Схемы фрезерования...................................................................................	351
10.7.3. Особенности процесса и режимы резания при фрезеровании................	353
10.7.4. Силы резания................................................................................................	354
10.7.5. Элементы и геометрия фрез .......................................................................	355
10.7.6. Типы фрез......................................................................................................	357
10.7.7. Станки фрезерной группы............................................................................	360
10.7.8. Технологические требования к деталям,.................................................... 366
10.8. Обработка заготовок на строгальных и долбежных станках...................	367
10.8.1. Характеристика методов строгания и долбления......................................	367
10.8.2. Строгальные и долбежные резцы и рабочие приспособления................	369
10.8.3. Строгальные и долбежные станки..............................................................	370
10.8.4. Технологические требования к деталям, обрабатываемым на строгальных
и долбежных станках................................................................................................	372
Технология конструкционных материалов. Учебное пособие	-8-

ОГЛАВЛЕНИЕ
10.9. Резьбо- и зубонарезание..................................................................................	374
10.9.1. Резьбонарезание..........................................................................................	374
10.9.2. Зубонарезание..............................................................................................	376
10.9.3. Технологические требования к конструкции зубчатых колес....................	382
10.10. Обработка заготовок шлифованием............................................................	383
10.10.1. Особенности процесса резания при шлифовании...................................	383
10.10.2. Износ, стойкость и правка кругов...............................................................	383
10.10.3. Испытания и балансировка кругов. Правила техники безопасности......	384
10.10.4. Абразивный инструмент.............................................................................	385
10.10.5. Станки шлифовальной группы...................................................................	390
10.10.6. Технологические требования к деталям, обрабатываемым шлифованием
....................................................................................................................................	392
10.11. Отделочные операции....................................................................................	393
Глава 11. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК
............................................................................................	401
11.1. Электрофизические методы обработки поверхностей заготовок..........	401
11.2. Электрохимическая обработка.......................................................................	406
Глава 12. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННЫХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНЫХ
СЛОЕВ................................................................................	418
12.1. Наплавка и газотермическое нанесение покрытий.....................................	418
12.2. Виды химико-термической обработки..........................................................	421
12.2.1. Цементация стали.........................................................................................	421
12.2.2. Азотирование стали......................................................................................	422
12.2.3. Методы совместного насыщения азотом и углеродом..............................	423
12.2.4. Насыщение металлами................................................................................	423
Глава 13. ОСНОВЫ СБОРОЧНЫХ РАБОТ И
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА....	425
13.1. Машина и ее служебное назначение..............................................................	425
13.2. Технологичность сборочных единиц............................................................	427

Технология конструкционных материалов. Учебное пособие

-9-

ОГЛАВЛЕНИЕ
13.3. Разработка последовательности сборки......................................................	433
13.4. Автоматизированное проектирование технологии сборочно-монтажных
работ..............................................................................................................................	437
13.5. Технологическая подготовка производства серийных изделий............	438
Глава 14. ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОГО
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА И
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ...............................	442
14.1. Проблемы машиностроительного производства и методы их решения
........................................................................................................................................	442
14.2. Направления природосбережения при проектировании
машиностроительных производств.......................................................................	449
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.....................................	453

Технология конструкционных материалов. Учебное пособие

-10-