Материаловедение

Серия
«Среднее профессиональное образование»

РостовнаДону
«ФЕНИКС»
2015

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Г. А. ДВОЕГЛАЗОВ

Рекомендовано
Международным научным общественным объединением «МАИТ»
в качестве учебника для использования в учебном процессе
образовательных учреждений, реализующих программы СПО
по направлениям Технология машиностроения,
Техническое обслуживание и ремонт автомобильного
транспорта, Механизация сельского хозяйства

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

   Материаловедение : учебник / Г. А. Двоеглазов. — Ростов н/Д :
Феникс, 2015. — 445 с. — (Среднее профессиональное  образование).

© Двоеглазов Г. А., 2015
© Оформление: ООО «Феникс», 2015

УДК 620.22(075.32)
ББК 30.3я723
КТК 204

Д24

Д24

УДК 620.22(075.32)
ББК 30.3я723

Двоеглазов Г. А.

Рецензенты:
   Лаврентьев В. А.  — доктор технических наук, профессор, ректор Сочинского морского института;
Габуния Т. К. — кандидат технических наук, доцент, директор НИИ
Техникотехнологических инноваций при Международном инновационном университете (г. Сочи).

В учебнике рассмотрены основы материаловедения сплавов
металлов, полимеров, композиционных и наноматериалов; методы направленного формирования свойств материалов. Описаны
материалы, наиболее распространенные отечественные и их зарубежные аналоги. Рассмотрены вопросы выбора материалов и
режимов упрочнения для типовых деталей машин и механизмов.
Справочнотерминологический характер учебника с подробным изложением наиболее сложных вопросов поможет читателям
с различным уровнем подготовки усвоить базовый общепрофессиональный курс дисциплины «Материаловедение», который по
содержанию и объему соответствует программам Федеральных
государственных образовательных стандартов среднего образования по машиностроению, транспорту, сельскому хозяйству.
Материалы книги могут быть использованы инженерными и
научными работниками предприятий машиностроения, водного и
наземного транспорта, учащимися производственнотехнических
училищ и курсов повышения квалификации.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ ........................................................................................................ 11

ГЛАВА 1.
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ СВОЙСТВА .................. 13
1. Классификация конструкционных материалов ............................ 13
2. Классификация свойств материалов. .................................................. 14
3. Свойства материалов на этапе проектирования .......................... 15
3.1. Физические свойства .......................................................................... 15
3.2. Химические свойства .......................................................................... 17
3.3. Механические свойства...................................................................... 17
3.3.1. Свойства материалов при растяжении ........................ 17
3.3.2. Твердость материалов.............................................................. 21
4. Свойства материалов на этапе оценки влияния
эксплуатационных факторов..................................................................... 24
4.1. Надежность ................................................................................................. 24
4.2. Долговечность ........................................................................................... 27
4.2.1. Выносливость. ............................................................................... 27
4.2.2. Длительная прочность и ползучесть ............................... 30
5. Свойства материалов на этапе изготовления ................................. 32
6. Материалоемкость продукции .................................................................. 34
Вопросы и задания по материалам гл. 1 .................................................. 35
Список литературы и стандартов ................................................................. 36

ГЛАВА 2.
ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ............ 37
1. Строение, структура и химический состав......................................... 37
2. Методы исследования строения и структуры .................................. 39
3. Атомнокристаллическое строение металлов .................................. 39
4. Строение реальных металлов..................................................................... 43
5. Структура деформированного металла. Наклеп ............................. 48
6. Структура литого металла ............................................................................. 50
Вопросы и задания по материалам гл. 2 .................................................. 57
Список литературы и стандартов ................................................................. 57

ГЛАВА 3.
ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ ..................................................... 58
1. Введение в теорию сплавов ........................................................................ 58

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

2. Диаграммы состояния..................................................................................... 60
3. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов ................. 66
Вопросы и задания по материалам гл. 3 .................................................. 75
Список литературы и стандартов ................................................................. 75

ГЛАВА 4.
МЕТОДЫ НАПРАВЛЕННОГО ФОРМИРОВАНИЯ
СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ .................................................................................... 76
1. Легирование сплавов ..................................................................................... 76
2. Термическая обработка ................................................................................. 77
2.1. Отжиг .............................................................................................................. 80
2.1.1. Отжиг I рода .................................................................................... 82
2.1.2. Отжиг II рода .................................................................................. 84
2.2. Закалка......................................................................................................... 88
2.2.1. Теоретические основы закалки ......................................... 90
2.2.2. Технологические основы закалки сталей
      и чугунов .......................................................................................... 96
2.3. Отпуск..........................................................................................................101
2.4. Старение ....................................................................................................105
3. Поверхностное упрочнение металлов ................................................107
3.1. Поверхностная закалка...................................................................108
3.2. Поверхностное пластическое деформирование ..............111
3.3. Методы изменения химического состава
  поверхности металлов .....................................................................114
3.3.1. Цементация ..................................................................................116
3.3.2. Азотирование .............................................................................118
3.3.3. Цианирование и нитроцементация .............................119
3.3.4. Сульфидирование и сульфоцианирование ...........120
3.3.5. Борирование ...............................................................................121
3.4. Диффузионная металлизация ....................................................122
4. Комбинированные методы упрочнения............................................124
Вопросы и задания по материалам гл. 4 ...............................................125
Список литературы и стандартов ..............................................................126

ГЛАВА 5.
КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ ......................................................................127
1. Основы металлургического производства стали и чугуна ...127
2. Легирование стали ........................................................................................135

ОГЛАВЛЕНИЕ

3. Машиностроительные стали....................................................................137
3.1. Углеродистые стали обыкновенного качества ...................137
3.2. Углеродистые качественные конструкционные стали ..139
3.3. Стали низколегированные конструкционные ..................140
3.4. Стали свариваемые для судостроения ..................................141
3.5. Теплоустойчивые стали ...................................................................143
3.6. Легированные конструкционные стали ................................144
3.7. Высоколегированные стали и сплавы...................................147
3.8. Стали конструкционные повышенной и высокой
  обрабатываемости резанием (автоматные стали) .........152
3.9. Стали подшипниковые ....................................................................154
3.10. Стали рессорнопружинные.......................................................155
3.11. Стали хладостойкие .......................................................................155
3.12. Стали износостойкие.....................................................................157
Вопросы и задания по материалам гл. 5 ...............................................158
Список литературы и стандартов ..............................................................159

ГЛАВА 6.
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ ЧУГУНЫ .......................................................161
1. Серые чугуны ......................................................................................................165
2. Ковкие чугуны ...................................................................................................166
3. Высокопрочные чугуны................................................................................168
4. Чугуны с вермикулярным графитом....................................................169
5. Легированные чугуны...................................................................................170
6. Термическая обработка чугунов ............................................................174
Вопросы и задания по материалам гл. 6 ...............................................176
Список литературы и стандартов ..............................................................177

ГЛАВА 7.
АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ ......................................................................178
1. Основные виды алюминиевых сплавов ..........................................179
2. Литейные алюминиевые сплавы ..........................................................185
Вопросы и задания по материалам гл. 7 ...............................................191
Список литературы и стандартов ..............................................................191

ГЛАВА 8.
МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ ...........................................................................................193
Вопросы и задания по материалам гл. 8 ...............................................201
Список литературы и стандартов ..............................................................201

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 9.
СПЛАВЫ ТИТАНА .................................................................................................203
1. Способы упрочнения и классификация
титановых сплавов ........................................................................................204
2. Литейные титановые сплавы...................................................................206
3. Недостатки титановых сплавов .............................................................207
Вопросы и задания по материалам гл. 9 ...............................................207
Список литературы и стандартов ..............................................................208

ГЛАВА 10.
ПОЛИМЕРЫ .............................................................................................................209
1. Основы теорий полимеров .......................................................................209
2. Конструкционные термопласты .............................................................215
2.1. Конструкционные термопласты общего назначения.....216
2.1.1. Полиолефины .............................................................................216
2.1.2. Этролы .............................................................................................219
2.1.3. Фторопласты................................................................................220
2.1.4. Поливинилхлориды ...............................................................221
2.1.5. Полиакрилаты ...........................................................................222
2.2. Конструкционные термопласты средней прочности .....223
2.2.1. Полистиролы ..............................................................................223
2.2.2. Поликарбонаты .........................................................................226
2.2.3. Полиэтилентетрафталаты (ПЭТФ) ..................................228
2.2.4. Полибутилентерефталаты ( ПБТ) ....................................228
2.3. Конструкционные термопласты высокой прочности ....230
2.3.1. Полиамиды ..................................................................................230
2.3.2. Полиимиды ..................................................................................233
2.3.3. Полиацетали ...............................................................................233
2.3.4. Полисульфоны ...........................................................................235
2.4. Перспективные термопласты .......................................................235
3. Конструкционные реактопласты ...........................................................238
3.1. Реактопласты широкого применения .....................................238
3.1.1. Фенолформальдегидные смолы .....................................238
3.1.2. Полиэфирные смолы .............................................................241
3.1.3. Мочевиноформальдегидные смолы
     (карбамидные смолы) ...........................................................241
3.1.4. Эпоксидные смолы ..................................................................241
3.2. Реактопласты специального применения ............................242

ОГЛАВЛЕНИЕ

3.3. Перспективные реактопласты .....................................................243
4. Эластомеры .........................................................................................................243
4.1. Каучуки ......................................................................................................244
4.2. Резины и резинотехнические изделия ..................................246
Вопросы и задания по материалам гл. 10............................................249
Список литературы и стандартов ..............................................................250

ГЛАВА 11.
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ........................................................252
1. Введение в теорию композиционных материалов....................253
1.1. Виды и структуры композиционных материалов
  (КМ) ..............................................................................................................253
1.2. Признаки композиционного материала ..............................255
1.3. Взаимодействие матрицы и наполнителя...........................255
1.4. Наполнители...........................................................................................256
1.5. Технологические составляющие................................................261
2. Полимерные композиционные материалы (ПКМ) .....................263
2.1. Изотропные ПКМ..................................................................................264
2.2. Анизотропные ПКМ ............................................................................267
2.3. Высокопрочные  ПКМ........................................................................268
2.4. Газонаполненные композиционные материалы..............273
3. Металлические композиционные материалы (МКМ) ...............275
3.1. Дисперсноупрочненные МКМ......................................................275
3.2. Волокнистые МКМ ...............................................................................278
3.3. Эвтектические композиционные материалы ....................279
4. Керамические композиционные материалы (ККМ) ..................282
4.1. Матрица ККМ ..........................................................................................283
4.2. Взаимодействие матрицы и наполнителя в ККМ ...........284
4.3. Особенности изготовления изделий из ККМ ....................285
Вопросы и задания по материалам гл. 11............................................287
Список литературы и стандартов ..............................................................288

ГЛАВА 12.
АНТИФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ .....................................................289
1. Некоторые сведения из теории трения ............................................290
2. Свойства антифрикционных материалов ......................................292
3. Баббиты.................................................................................................................296
4. Бронзы антифрикционные .......................................................................301

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

5. Латуни антифрикционные ........................................................................303
6. Алюминиевые подшипниковые сплавы ..........................................304
7. Антифрикционные сплавы на основе железа ..............................307
8. Многослойные подшипниковые вкладыши ..................................310
9. Антифрикционные неметаллические материалы ......................310
10. Дерево и реактопласты ............................................................................317
11. Композиционные антифрикционные материалы ...................320
Вопросы и задания по материалам гл. 12............................................323
Список литературы и стандартов ..............................................................323

ГЛАВА 13.
НАНОМАТЕРИАЛЫ..............................................................................................326
1. Основные термины и определения ......................................................327
2. Наноструктуры углерода .............................................................................328
3. Наноматериалы................................................................................................331
4. Нанотехнологии ...............................................................................................334
Вопросы и задания по материалам гл. 13............................................336
Список литературы и стандартов ..............................................................337

ГЛАВА 14.
МАТЕРИАЛЫ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ .......................338
1. Материалы дизелей.......................................................................................338
1.1. Материалы остова ...............................................................................338
1.2. Материалы цилиндров.....................................................................339
1.2.1. Условия работы цилиндров ..............................................340
1.2.2. Требования к материалам цилиндров .......................342
1.2.3. Материал блоков цилиндров ...........................................342
1.2.4. Материалы цилиндровых втулок...................................342
1.2.4.1. Применение чугунов....................................................343
1.2.4.2. Применение сталей......................................................345
1.2.4.3. Применение алюминиевых сплавов ................345
1.2.4.4. Способы защиты цилиндровых втулок
        дизелей от кавитационноэрозионного
              разрушения .......................................................................347
1.3. Материалы поршней..........................................................................348
1.3.1. Поршни из чугунов ..................................................................351
1.3.2. Поршни из алюминиевых сплавов ..............................352
1.3.3. Биметаллические поршни ..................................................352

ОГЛАВЛЕНИЕ

1.3.4. Комбинированный облегченный поршень..............353
1.4. Материалы коленчатых валов.....................................................353
1.5. Материалы шатунов ...........................................................................357
1.5.1. Тронковый шатун .....................................................................357
1.5.2. Крейцкопфный кривошипный шатунный
     механизм........................................................................................360
1.5.3. Шатуны Vобразных дизелей............................................360
1.6. Материалы поршневых пальцев ................................................362
1.7. Материалы цилиндровых крышек ...........................................364
1.8. Стали для клапанов ...........................................................................365
1.9. Седла клапанов ....................................................................................371
1.10. Материалы распределительных валов...............................372
1.11. Стали для презиционных деталей дизелей .....................374
1.11.1. Материалы и термическая обработка
       корпуса распылителя..........................................................375
1.11.2. Термическая обработка иглы распылителя .........376
1.11.3. Материал и термическая
       обработка плунжерной пары .........................................377
1.11.4. Нагнетательный клапан и его седло .........................378
1.12. Материалы анкерных связей и соединительных
    деталей ....................................................................................................378
1.13. Материалы зубчатых колес ........................................................379
1.13.1. Условия работы ......................................................................380
1.13.2. Требования к материалам и режимам
        обработки..................................................................................380
1.13.3. Материалы зубчатых колес и режимы
       обработки ...................................................................................381
2. Материалы турбин ..........................................................................................382
2.1. Материалы роторов............................................................................383
2.1.1. Материалы валов .....................................................................384
2.1.2. Материалы дисков ..................................................................384
2.1.3. Материалы лопаток ................................................................385
2.2. Материалы диафрагм .......................................................................387
2.3. Материалы цилиндров (корпусов) турбин ..........................387
3. Материалы котлов и сосудов высокого давления ....................388
4. Материалы теплообменных аппаратов .............................................390
5. Материалы судового оснащения...........................................................391
5.1. Материалы судовых валов ............................................................391

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

5.2. Материалы якорей и якорных цепей......................................393
5.3. Материалы гребных винтов ..........................................................395
5.4. Материалы насосов............................................................................395
6. Материалы холодильных установок ..................................................397
6.1. Материалы хладоновых герметичных компрессоров ...399
6.2. Материалы роторных компрессоров. ......................................400
6.3. Материалы лопастных компрессоров
  и вентиляторов .....................................................................................403
7. Материалы поршневых колец .................................................................408
7.1. Анализ условий эксплуатации ...................................................413
7.2. Требования к материалам поршневых колец....................414
7.3. Материалы поршневых колец......................................................414
7.4. Особенности технологии изготовления поршневых
  колец ...........................................................................................................417
Вопросы и задания по материалам гл. 14............................................419
Список литературы и стандартов ..............................................................421

ГЛАВА 15.
ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ И РЕЖИМОВ
УПРОЧНЕНИЯ ........................................................................................................423
1. План работы и последовательность его выполнения..............423
2. Пример выполнения задания .................................................................431
Список литературы и стандартов ..............................................................434

Список использованной литературы .....................................................435