Физико-химические основы технологии конструкционных материалов в производстве летательных аппаратов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ 

(государственный технический университет)

Р.Г. ТАЗЕТДИНОВ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 
ТЕХНОЛОГИИ КОНСТРУКЦИОННЫХ 
МАТЕРИАЛОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ 
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Под редакцией профессора Г.П . Фетисова

Допущено Учебно-методическим объединением 
высших учебных заведений Российской Федерации 
по образованию в области авиации, 
ракетостроения и космоса в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлениям подготовки 
дипломированного специалиста 652100 — Авиастроение, 
652200 — Двигатели летательных аппаратов, 
652600 — Ракетостроение и космонавтика

Москва 
Издательство М АИ  
2004

Б Б К  20.4.7 

Т  12

Т  12

IS B N

Федеральная целевая программа “ Культура России”

(подпрограмма “ Поддержка полиграфии и книгоиздания России” )

Тазетдинов Р.Г.
Физико-химические основы технологии конструкционных материалов в производстве летательных аппаратов: 
Учеб. пособие/Под ред. Г.П . Фетисова. — М.: Изд-во М АИ, 
2004. — 440 с.: ил.

IS B N  5-7035-1475-4

С едины х позиций терм одинам ики в обобщ енном виде описаны  основны е ф изико-хим ические процессы, происходящ ие в констр ук ц и он н ы х м атериалах при разли чн ы х техн ологи чески х способах и х п олуч ен и я  и обработки.^П редставлены методы расчета этих 

процессов.

П особие предназначено д ля  студентов технических вузов. Оно 

м ож ет бы ть п олезн о такж е всем, кто стремится у глу б ле н н о  и зу чать техн ологи ю  кон струкц и он н ы х материалов.

Рецензенты:

каф едра “ Т е х н о л о ги я  м аш иностроения и м атериаловедение” 

М оск ов ск ого государствен н ого университета инж енерной э к о ло ги и  (зав. каф едрой д-р техн. наук, проф. А .Д . Никиф оров);

кафедра “ М атериаловедение и техн ологи я  новы х м атериалов” 

Н и ж егор одск ого государственного технического университета эколо ги и  (зав. каф едрой д-р техн. наук, проф. Г .Н . Гаврилов);

д-р техн. н аук, проф. В .П . Ступников

1-7035-1475-4 
©  М осковский авиационны й институт

(государственны й технический 

университет), 2004 

©  Тазетдинов Р .Г ., 2004

ПРЕДИСЛОВИЕ

Техн ологи я в переводе с греческого ( “ техно” — искусство, 
мастерство, умение и “логия” — наука, учение) означает науку об 
умениях. В словарях технология определяется как “ совокупность 
методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, 
формы сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в 
процессе производства продукции” . Оба эти определения подчеркивают практическую сторону предмета, представляя технологию, 
и в частности технологию конструкционных материалов (ТК М ), в 
основном как процесс материального воплощения идей, замыслов 
человека. В технологических процессах обработки природных или 
уже ранее использованных человеком материалов эти материалы 
превращаются в нужные для человека предметы, изделия техники. Таким образом, в практическом отношении все технологические процессы объединяет цель — получение нужных для человека 
изделий. Однако не менее важно то, что объединяет все процессы 
в научном отношении. Так как способы производства и обработки 
материалов столь различны и многообразны, трудно сразу усмотреть какой-либо объединяющий их научный стержень. Наука ли 
технология материалов или механическое объединение различных 
способов их обработки, не имеющих общей научной теории?

В учебниках и монографиях по ТК М  нет полного ответа на 
этот вопрос. В них процессы ТК М  объединены в разделы: металлурги я, литейное производство, обработка давлением, сварка, 
пайка, обработка резанием и т.д. Процессы внутри разделов авторы излагают с достаточно общих научных позиций. В то же время 
более или менее четкой научной связи между разделами ТКМ  в 
них не прослеживается.

Однако если представить ТКМ  как единую науку, то необходимо знать ее научную базу и общие для всех способов научные понятия. Очевидно, что такой общей научной базой не могут быть 
прикладные науки: материаловедение, сопротивление материа

лов, теплопередача и др., так как, хотя они являются базой для 
ТКМ , каждая из них затрагивает только отдельные вопросы данного предмета.
Логично ответ на поставленный вопрос искать в фундаментальных науках: физике, химии, физической химии. Достаточно 
провести беглый анализ всех основных способов получения и обработки конструкционных материалов - металлов, керамики, пластмасс и т.п., чтобы увидеть, что они базируются на одних и тех же 
или однотипных физических и химических явлениях и процессах. 
Например, однотипные или одинаковые химические реакции протекают при получении металлов, литье, сварке, и т.п. Процессы 
упругопластической деформации одни и те же для обработки давлением, резанием, литья, сварки, пайки и др. Процессы образования новых фаз, тепломассообмен, адгезионные явления и др. протекают при использовании практически всех технологических 
способов. Это говорит о том, что все процессы ТКМ  не только объединены общей практической целью, но и в теоретическом отношении связаны настолько тесно, что можно с уверенностью говорить о ТК М  как о единой прикладной науке, основанной непосредственно на физике, химии, физической химии. Таким образом, 
предмет дисциплины “ Физико-химические основы ТК М ” , которую 
изучают студенты кафедры “Технология материалов” Московского авиационного института — выявление и изучение тех общих 
физико-химических закономерностей, которые одновременно присущи всем или многим технологическим процессам производства 
и обработки конструкционных материалов.

Д исциплина “ Ф изико-хим ические основы технологии конструкционных материалов” , а также данное учебное пособие являются теоретической основой при изучении дисциплины “Технология конструкционных материалов” . Кроме того, автор надеется, 
что знания, полученные при чтении настоящего пособия, послужат будущим специалистам, занимающимся технологией, базой 
для прогнозирования новых технологических процессов.

В главе 1 учебного пособия формулируется физико-химическая общность всех процессов ТКМ  как процессов преобразования 
(превращения) материи, причем эти превращения происходят на 
уровне неравновесных химических процессов. Они наиболее широко охватываются разделом физической химии, называемым неравновесной термодинамикой, а в частности, когда достигается 
равновесие, — химической термодинамикой или термостатикой.

В этой главе формулируется также понятие обобщенной термодинамической системы технологического процесса обработки материала и определяются термодинамические критерии равновесия и 
направленности технологических процессов.
Главы со 2-й по 11-ю являются основой курса лекций по данной дисциплине и посвящены теоретическому изучению основных 
физико-химических процессов, составляющих, так сказать, научный каркас ТКМ .
К ним относятся:
— металлургические процессы;
— гидродинамика и энергомассообмен;
— электрохимческие процессы;
— процессы затвердевания металлов и сплавов;
— усадочные явления;
— адгезионные процессы;
— физико-химические процессы при газотермическом нанесении покрытий из микрочастиц;
— упругопластическая деформация;
— процессы спекания порошковых изделий;
— процессы механического разрушения материалов.
Автор выражает свою глубокую  благодарность заведующему 
кафедрой “ Технология материалов” М АИ  профессору Г.П . Фетисову, впервые высказавшему идею создания дисциплины “ Физикохимические основы технологии конструкционных материалов” , 
поддержавшему автора в издании учебного пособия и взявшему на 
себя труд по его редактированию. Автор признателен рецензентам за ценные замечания по содержанию будущей книги, а также 
благодарит студенток факультета “ Прикладная механика М А И ” 
Т. Соловьеву и Ю. Макаршину за большую помощь при подготовке ее к изданию.

Глава 1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ОБЩНОСТЬ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ 
КОНСТРУКЦИОННЫ Х М АТЕРИАЛОВ

1.1. Обобщенная термодинамическая система
технологического процесса обработки материала

Во всех технологических процессах, где участвуют материальные объекты, происходят преобразования, или превращения, материи, точнее, материалов, посредством того или иного внешнего 
энергетического воздействия. Применительно к ТКМ  это приводит 
к тому, что материалы из сырья или отходов в конечном счете 
преобразуются в детали, узлы , механизмы или другие устройства.

Практически все процессы в ТК М  происходят на уровне химических превращений, если исключить некоторые процессы в атомном ядре, слабые взаимодействия на уровне микрочастиц и оптические явления, которые для ТК М  играют второстепенную роль. 
Под химическими превращениями подразумеваются не только химические реакции, но и все процессы, где имеют место коллективные межатомные или меж молекулярные взаимодействия с участием внешних электронных оболочек атомов, такие, как фазовые 
переходы (плавление, кипение, кристаллизация, конденсация, 
растворение, осаждение, аллотропические превращения и др.), 
диффузия, конвекция, структурные превращения, деформация, 
разрушение твердых тел, т.е. все явления, которые объединяет то, 
что они происходят с изменением химических потенциалов веществ. Очевидно, судя по характеру процессов, изучаемых в курсе 
ТКМ , их следует отнести к физической химии, точнее, к одному 
из ее важных разделов — неравновесной термодинамике. Достаточно полно рассмотреть эти процессы можно и не применяя 
слишком сложный математический аппарат этого раздела, а ограничившись для изучения направлений процессов и изменений состояний веществ химической термодинамикой. Проблему скорос

тей процессов можно решать, используя другой раздел физической химии — кинетику.
Термодинамика имеет дело с термодинамическими системами. 
Поэтому следует вначале выяснить, что входит в состав термодинамических систем процессов, происходящих в ТКМ , и можно ли 
их представить в обобщенном, универсальном виде. Д ля этого рассмотрим несколько примеров.
1. 
Выплавка стали в дуговой электрической печи (рис. 1.1). В 
печь 1 , футерованную изнутри огнеупорным материалом, загружается шихта, состоящая из кусков лома, железной руды, флюса. 
Между угольными электродами 2 и шихтой горит электрическая 
дуга 3, питаемая от внешнего источника электрической энергии 6. 
Д уга плавит ш ихту, и последняя расслаивается. Ш лак 4, как 
более легкое вещество, чем металл 5, всплывает наверх, покрывая 
собой металл. Происходят химические реакции между металлом, 
примесями в м еталле (С , Si, М п, S, Р и др.) и компонентами- 
шлака и, частично, воздуха, в результате чего металл очищается 
от примесей, а ш лак обогащается ими. Газообразные продукты 
(СО, С02 , S02 ,Н2 О и др.) улетучиваются из печи. Так получается

электросталь.

В металлургическом процессе участвует, если рассматривать 
только стадию плавки, во-первых, среда, из которой производится 
конструкционный материал, т.е. железо с примесями, во-вторых,

обрабатывающая, или рабочая, среда, под которой понимается вещество (твердый инструмент, жидкая, газообразная среда, плазма 
и т.п.), оказывающее непосредственное энергетическое или химическое воздействие на материал в направлении его обработки (рабочее воздействие). В данном случае это электрическая дуга (плазма), флюс (ш лак) и кислород или воздух при окислительной плавке. Сама печь со всеми системами питания, регулирования, измерения, электродами и т.п. является оборудованием, т.е. устройством, обеспечивающим рабочую среду энергией для проведения 
процесса. В системе можно выявить также приспособления, под 
которыми понимаются элементы или устройства, оказывающие на 
материал вспомогательное, побочное воздействие (фиксация, прижим, подача, размещение и т.п.). Например, под и стенки печи 
можно одновременно отнести и к приспособлению, так как они 
обеспечивают размещение металла и шлака и теплоизоляцию их 
от окруж аю щ ей среды. Н аконец, в процессе участвует также 
внешняя среда, которая может оказать на материал как положительное, так и отрицательное воздействие. Назовем ее активной 
внешней средой. Например, воздушная атмосфера в случае восстановительной плавки и в процессе раскисления действует негативно. Материалы электродов, футеровки печей могут воздействовать 
как позитивно, так и негативно, в зависимости от стадий процесса, состава шихты, самих этих материалов и т.п. Все указанные 
составляющие технологического процесса участвуют во взаимном 
теплообм ене, хим ических реакциях, следовательно, являю тся 
компонентами термодинамической системы. В эту систему вводится внешняя электрическая энергия, а от нее отводится тепло и вещество, она сообщается с атмосферным воздухом. Таким образом, 
система является термодинамически незамкнутой.
2. 
Листовая вытяжка без утонения стенок заготовки (рис. 
1.2). В этом процессе из листовых металлических заготовок получают полые пространственные изделия. На отверстие матрицы 4 накладывают лист и пуансоном 2 под 
действием внешнего усилия Р, создаваемого прессом 1 , продавливают л и с т  в м а тр и ц у. З а гото в к а  
пластически деформируется и превращается в полое изделие 5 цилин др и ческ ого или другого сече

ния. Толщ ина листа при зазоре между пуансоном и матрицей, 
равном ей, практически не изменяется. Для исключения образования складок во фланцевой части заготовки под действием окружных сжимающих напряжений при уменьшении диаметра применяют прижим 3 с усилием Q. Д ля уменьшения трения фланцевый 
и цилиндрический участки поверхности заготовки смазывают. 
Таким образом, в процессе вытяжки участвуют: материал (заготовка); рабочая среда, или инструмент — штамп, основными частями которого является пуансон и матрица; оборудование — 
пресс; приспособление — прижим; активная внешняя среда — 
смазка и атмосферный воздух, вызывающий окисление металла. 
Все перечисленные элементы участвуют в обмене энергией между 
собой, с источником внешней энергии и окружающей средой, следовательно, составляют термодинамическую систему. Участие в 
процессе механической работы (движение пуансона, частей заготовки друг относительно друга) не должно вызывать сомнения в 
целесообразности термодинамического рассмотрения системы, так 
как работа является функцией процесса, а не состояния. Термодинамика (термостатика) же оперирует только состояниями. До начала и после вытяжки система покоится. Поэтому по термодинамическим параметрам в начальном и конечном состояниях можно 
судить о возможности данного процесса. Сказанное относится ко 
всем процессам механической обработки материалов: давлением, 
резанием. Очевидно также, что термодинамическая система данного процесса является открытой.
3. 
Ручная дуговая сварка (рис. 1.3). М еж ду электродом 1 в 
электрододержателе 2 и свариваемыми деталями 8, зажатыми в 
приспособлении 9, горит электрическая дуга 5, питаемая от источника 4. На электрод, химический состав которого близок к составу свариваемого металла, нанесено покрытие 3, которое защищает 
электрод от окисления. Электрод, кромки основного (свариваемого) металла и покрытие плавятся от тепла дуги, образуя общую 
сварочную ванну 7, на поверхность которой всплывает жидкий 
шлак 6, защищающий металл от воздуха. Ш лак дополнительно 
очищает металл от вредных примесей (0 2 , N 2 , Н2 , S, Р и др.). По 

мере движения электрода вдоль стыка деталей металл и шлак затвердевают. В результате образуется сварной шов 10, покрытый 
шлаковой коркой 1 1 .

Термодинамическую систему здесь составляют такие же элементы, что и в предыдущих случаях: свариваемые детали, вклю

чая также шов, — материал; дуга и сварочная ванна — рабочая 
среда; и сточ н и к  п и тани я с токоподводящ и м и проводами и 
электрод с электрододерж ателем— оборудование; зажимное ус- 
торйство — приспособление; внешняя воздушная атмосфера — активная внешняя среда. Термодинамическая система здесь также 
открытая.

1

Таким образом, какие бы процессы получения и обработки материалов мы ни взяли и какими бы различными они ни были, 
между ними есть следующие общие признаки:
1. Во всех процессах происходит необратимое преобразование 
энергии высшего вида (электрической, механической, световой, 
химической) в энергию низшего вида, выделяемую в форме тепла.

2. П роисходят превращения материала: изменяется его состав, структура, фазовое состояние, форма и т.п.

3. Термодинамические системы в ТК М  являются открытыми 
системами, так как они обмениваются энергией и веществом с окружающим пространством.

4. Состав термодинамической системы имеет универсальный 
характер. В общем случае она состоит из обрабатываемого материала (конструкционного материала или веществ, из которых он 
получается), рабочей среды (в частном случае инструмента), обо