Материаловедение и технологии конструкционных материалов

Ш

СИБИРСКИЙ ФВДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

SIBERIflfl FEDERAL UfllVERSITY 

Рассмотрены тенденции и направления развития современного теоретического и прикладного 

материаловедения, 
закономерности 
формирования 

структуры и свойств материалов при различных видах 

воздействия и технологии получения. Изложены механизмы фазовых и структурных превращений в зависимости от условий термической и механической 

обработок. Приведены современные материалы и технологии, применяемые при получении изделий теплоэнергетического комплекса. 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИИ 

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 

Учебное 
пособие 

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ  И  НАУКИ  РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ 

СИБИРСКИЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИИ 
КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 

Рекомендовано УМО РАЕ по классическому университетскому 
и техническому образованию в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению подготовки 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», 23.06.2015 

Красноярск 
СФУ 
2015 

 

Материаловедение и технологии конструкционных материалов 

УДК 620.22(07) 
ББК  30.3я73 
М341 

М341 
Материаловедение и технологии конструкционных материалов / 
О. А. Масанский, В. С. Казаков, А. М. Токмин, Л. А. Свечникова, 
Е. А. Астафьева. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2015. – 268 с. 

ISBN 978-5-7638-3322-5 

Рассмотрены тенденции и направления развития современного теоретического и прикладного материаловедения, закономерности формирования 
структуры и свойств материалов при различных видах воздействия и технологии получения. Изложены механизмы фазовых и структурных превращений в зависимости от условий термической и механической обработок. Приведены современные материалы и технологии, применяемые при получении 
изделий теплоэнергетического комплекса. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 13.03.01 
«Теплоэнергетика и теплотехника». 

        Электронный вариант издания см.:
    УДК 620.22(07) 
        http://catalog.sfu-kras.ru
 ББК 30.3я73 

© Сибирский федеральный 
ISBN 978-5-7638-3322-5             
    университет, 2015 

Введение 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................................... 5 

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА  И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ ........................................ 7

1.1. Общая характеристика металлов ................................................................................ 7 
1.2. Свойства материалов .................................................................................................... 8 

2. АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ. МЕХАНИЗМ
И ПАРАМЕТРЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ .............................................................................. 18 
2.1. Атомно-кристаллическое строение металлов .......................................................... 18 
2.2. Полиморфизм и анизотропия. Магнитные превращения ....................................... 20 
2.3. Типы связей и их влияние на структуру и свойства кристаллов ........................... 22 
2.4. Строение реальных металлов. Дефекты атомно-кристаллического строения 
металлов ............................................................................................................................. 24 
2.5. Механизм и параметры кристаллизации .................................................................. 29 

3. ТЕОРИЯ СПЛАВОВ. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ДВОЙНЫХ СИСТЕМ ............. 40

3.1. Основные понятия в теории сплавов ........................................................................ 40 
3.2. Фазы в металлических системах ............................................................................... 42 
3.3. Методы построения диаграмм состояния ................................................................ 46 
3.4. Основные равновесные диаграммы состояния двойных систем. 
Правило отрезков............................................................................................................... 48 
3.5. Физические и механические свойства сплавов в равновесном состоянии. 
Правило Курнакова ........................................................................................................... 54 

4. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД ................................................... 56

4.1. Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов ................................................ 57 
4.2. Значение точек и линий диаграммы железо – цементит ........................................ 60 
4.3. Превращение сталей в твердом состоянии .............................................................. 64 
4.4. Превращения чугунов ................................................................................................ 67 
4.5. Превращения в сплавах системы железо – графит ................................................. 68 
4.6. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства железо-углеродистых 
сплавов ................................................................................................................................ 70 

5. МЕХАНИЗМ И ОСОБЕННОСТИ ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ........ 72

5.1. Механизм пластического деформирования ............................................................. 72 
5.2. Механизм деформации моно-и поликристаллического тела ................................. 74 
5.3. Возврат и рекристаллизация ...................................................................................... 76 
5.4. Разрушение металлов ................................................................................................. 79 

6. ТЕРМИЧЕСКАЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СПЛАВОВ .............. 82

6.1. Отжиг сталей ............................................................................................................... 83 
6.2. Термическая обработка сплавов с переменной растворимостью компонентов 
в твердом состоянии .......................................................................................................... 91 
6.3. Превращения в сталях при нагреве до аустенитного состояния ........................... 94 
6.4. Превращение аустенита при различных степенях переохлаждения ..................... 98 

3 

Материаловедение и технологии конструкционных материалов 

6.5. Закалка ....................................................................................................................... 107 
6.6. Отпуск закаленных сталей ....................................................................................... 114 
6.7. Химико-термическая обработка сплавов ............................................................... 118 
6.8. Термомеханическая обработка ................................................................................ 125 

7. ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА
СТАЛЕЙ ................................................................................................................................ 127 
7.1. Влияние легирующих элементов на равновесную структуру сталей ................. 127 
7.2. Распределение легирующих элементов в стали .................................................... 130 
7.3. Влияние легирующих элементов на превращения в сталях ................................. 132 
7.4. Назначение легирующих элементов ........................................................................ 136 

8. КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ ...................................................... 141

8.1. Классификация сталей ............................................................................................. 141 
8.2. Маркировка сталей ................................................................................................... 143 

9. КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ .................................................................................... 149

9.1. Углеродистые конструкционные стали .................................................................. 149 
9.2. Легированные стали. Химический состав автоматных сталей ............................ 153 

10. МАТЕРИАЛЫ В ТЕПЛОТЕХНИКЕ И ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ ................................ 170

10.1. Свойства сталей, обеспечивающие устойчивость 
к воздействию температуры и рабочей среды .............................................................. 170 
10.2. Материалы котельных установок и паровых турбин .......................................... 192 
10.3. Чугуны. Маркировка, структура, свойства .......................................................... 206 

11. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ ............................................................................... 214

11.1. Углеродистые инструментальные стали .............................................................. 214 
11.2. Легированные инструментальные стали и твердые сплавы ............................... 215 
11.3. Алмаз как материал для изготовления инструментов ........................................ 220 

12. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ НА ИХ ОСНОВЕ ............................................ 221

12.1. Медь и ее сплавы .................................................................................................... 221 
12.2. Алюминий и его сплавы ........................................................................................ 226 
12.3. Титан и его сплавы ................................................................................................. 230 

13. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ....................................................................... 232

14. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ....................................... 235

14.1. Литейное производство.......................................................................................... 235 
14.2. Обработка металлов давлением ............................................................................ 243 
14.3. Сварочное производство ........................................................................................ 253 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………………………….....266 

4 

Введение 

ВВЕДЕНИЕ 

Материаловедение – это наука, изучающая взаимосвязь между составом, строением и свойствами металлов и сплавов в различных условиях. Знания, полученные в результате изучения этой дисциплины, позволяют осуществить рациональный выбор материалов для конкретного применения.  
Материаловедение – постоянно развивающаяся наука, непрерывно 
обогащающаяся за счет разработки новых материалов, которые, в свою 
очередь, стимулируют прогресс во всех областях науки и техники. 
Техническое значение материала определяется его строением и выражается в его свойствах. Из металлических материалов наиболее применяющимся и самым разносторонним является железо и сплавы на его основе, которые и в ближайшее время будут занимать ведущее место. 
Из этих материалов изготовляются самые различные изделия – начиная от 
жестяных консервных банок и заканчивая котлами для атомных реакторов 
из нержавеющей стали.  
Материаловедение, как наука о структуре и свойствах различных материалов, существенно модернизируется за счет интеграции физики твердого тела, химии и технологии неорганических веществ, механики твердого 
деформированного тела и нелинейной механики разрушения. Единый синергетический подход к явлениям первичной и вторичной кристаллизации, 
упругой и пластической деформации стал возможен благодаря новому пониманию реальной структуры материалов на всех иерархических уровнях. 
Эффективное управление свойствами сплавов требует глубокого 
представления механизмов структурных превращений в сплавах, дислокационно-структурных механизмов разрушения, о фракталах и возможностях 
использования 
принципа 
обратных 
связей, 
действующих 
в микроструктурах сплавов. Это поможет сохранять оптимальные метастабильные структуры, соответствующие требуемым физико-механическим 
свойствам сплавов и различных материалов, для повышения долговечности их работы. 
Современный уровень развития энергетической отрасли требует создания новых материалов и технологий изготовления деталей паро- и газотурбинных теплоэлектростанций, что позволит значительно увеличить 
их рабочий ресурс и повысить технико-экономические показатели. 

Тепловые электрические станции, оснащенные мощными энергети
ческими блоками с паровыми котлами сверхкритических и высоких параметров пара, обеспечивают большую часть вырабатываемой в настоящее 
время электрической энергии и поддержание их высокой надежности 
и экономичности. Такую задачу можно решить только в случае правильно
5 

 
 
Материаловедение и технологии конструкционных материалов 

го выбора материалов и технологических процессов, используемых при изготовлении, монтаже и ремонте оборудования. 

Ввод мощных энергетических блоков сопровождается увеличени
ем блочности их изготовления и комплектности заводской поставки 
энергооборудования, повышением качества изготовления и технического уровня котлов, вспомогательного оборудования, деталей трубопроводов и арматуры. 

Повышение температуры перегрева свежего пара и промежуточного 

перегрева сдерживается отсутствием подходящих сталей для высокотемпературной части пароперегревателей и паропроводов. Переход на более 
высокий уровень температур связан с необходимостью применения дорогих и малотехнологичных сталей и сплавов, содержащих высокий процент 
таких дефицитных легирующих элементов, как никель, вольфрам, молибден и др. 

Проведение исследований, позволяющих обосновать правильный 

выбор материалов, а также дать рекомендации по совершенствованию 
конструкции и режимов эксплуатации энергооборудования, удачный выбор химического состава жаропрочной стали недостаточными для обеспечения ее надежной работы в эксплуатации. Большую роль играют технология металлургического производства (шихтовка, способ выплавки, режимы 
прокатки, термической обработки и др.), а также технология изготовления 
и монтажа элементов котельного агрегата (гибка, сварка, последующая 
термическая обработка). И только при высоком уровне технологии и культуры производства и эксплуатации можно обеспечить надежную работу 
современного котла и паровой турбины. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

6 
 
 
 

 
 
1. Общая характеристика и свойства металлов 
 

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА  
И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ 
 
 
1.1. Общая характеристика металлов 
 
В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизнедеятельности, металлы 
всегда занимали особое место. 
Подтверждение этому – и в названиях эпох (золотой, серебряный, 
бронзовый, железный века, на которые греки делили историю человечества), и в археологических находках металлических изделий (кованые 
медные украшения, сельскохозяйственные орудия), и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике. 
Причина этого – особые свойства металлов, выгодно отличающих их 
от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми. 
Металлы – один из классов конструкционных материалов, относятся к химически простым веществам и характеризуются определенным 
набором свойств: 
– металлический блеск (хорошая отражательная способность); 
– пластичность; 
– высокая теплопроводность; 
– высокая электропроводность; 
– положительный температурный коэффициент электрического сопротивления, означающим рост сопротивления с повышением температуры, и сверхпроводимостью некоторых металлов при температурах, близких к абсолютному нулю; 
– термоэлектронная эмиссия, т. е. способность к испусканию электронов при нагреве; 
– кристаллическое строение в твердом состоянии. 
Металлические материалы обычно делят на две большие группы: 
железо и сплавы на его основе (сталь и чугун) называют черными металлами, а остальные металлы и их сплавы – цветными. 
Цветные металлы, применяемые в технике, с учетом их свойств и характера залегания в земной коре, условно делятся на следующие группы: легкие – 
алюминий, магний, титан, бериллий, литий, натрий, калий, кальций, рубидий, 
цезий, стронций, барий; тяжелые – медь, никель, кобальт, свинец, олово, 
цинк, кадмий, сурьма, висмут, ртуть; тугоплавкие – вольфрам, молибден, ниобий, тантал, рений, ванадий, хром, цирконий; благородные (драгоценные) – золото, серебро, платина и платиноиды; рассеянные – галлий, индий, таллий; 

7 
 

 
 
Материаловедение и технологии конструкционных материалов 

редкоземельные – скандий, иттрий, лантан и все лантаноиды; радиоактивные – радий, полоний, актиний, торий, франций, уран и все трансурановые 
элементы. Металлы, которые производят и используют в ограниченных 
количествах, называют редкими, но так как деление это условно, то к ним относят все рассеянные и редкоземельные металлы, а также большую часть тугоплавких, радиоактивных и часть легких металлов. 
 
 
1.2. Свойства материалов 
 
Создание надежно работающих и экономичных агрегатов тепловых 
электрических станций, детали и узлы которых эксплуатируются в условиях 
сложнонапряженного состояния и высоких температур, невозможны без обеспечения механической прочности их деталей. Основными факторами, определяющими механическую прочность, являются действующие и предельные 
нагрузки, которые может выдержать материал без разрушения. Чем меньше 
действующие нагрузки по отношению к предельным, тем надежнее деталь.  
Механические свойства материалов. Механические свойства характеризуют сопротивление материала деформации, разрушение или особенность его поведения при разрушении. Эта группа свойств включает показатели прочности, жесткости (упругости), ползучести, пластичности, 
твердости и вязкости. 
При приложении к некоторому 
телу внешних сил внутри него возникают напряжения – внутренние силы, 
препятствующие разрушению твердого тела. Если, например, к образцу 
(рис. 1.1) приложить внешнюю продольную силу Р, то в каждом его сечении появляются внутренние продольные распределенные по сечению силы. 
Величина возникающих напряжений 
(σ, МПа) определяется нагрузкой, отнесенной к площади поперечного сечения: 
 
𝜎 = 𝑃/𝐹,                (1.1) 

где Р – действующая нагрузка, Н;  
F – площадь поперечного сечения 
испытуемого образца, см2. 

Рис. 1.1. Напряжения в стержне,
 растягиваемом внешней силой 

8 
 
 
 

 
 
1. Общая характеристика и свойства металлов 
 

Если площадь сечения рассмотренного образца F = 1 см2, а растягива
ющая Р = 1 Н, то напряжения в сечении составят σ = Р / F = 1 Н/см2. 
Размерность напряжения совпадает с размерностью давления, и поэтому их чаще всего измеряют в мегапаскалях (1 МПа = 10 ат. = 1 Н/мм2 =  
= 0,1 кг·с/мм2). Такие напряжения называют внешними. При тепловом воздействии или протекании фазовых изменений в металле возникают внутренние напряжения. 

Необходимо отметить, что напряжения, возникающие, например, в се
чении вращающейся рабочей лопатки паровой турбины под действием 
центробежных сил и парового потока, изгибающего рабочую лопатку, будут различны по сечению. Для оценки механической прочности таких деталей необходимо определить опасную точку, в которой напряжения максимальны, а затем сравнить их с характеристикой прочности материала, 
применяемого для изготовления детали. 

Возникшие в металле напряжения (внешние и (или) внутренние)  
вызывают деформацию. 
Деформация – это изменение формы и размеров твердого тела под 
влиянием образующихся в металле напряжений. Деформация подразделяется на упругую и пластическую. 
Упругая деформация – это деформация, которая полностью исчезает после прекращения действия вызывающих ее напряжений.  
При упругом деформировании происходит изменение расстояний между атомами в кристаллической решетке металла. С увеличением межатомных расстояний возрастают силы взаимного притяжения атомов. 
При снятии напряжения под действием этих сил атомы возвращаются  
в исходное положение. Искажение решетки исчезает, тело полностью 
восстанавливает свою форму и размеры. Если нормальные напряжения 
достигают значения сил межатомной связи, то произойдет хрупкое  
разрушение путем отрыва.  
Пластической называется деформация, остающаяся после прекращения действия вызвавших ее напряжений. При пластической деформации 
в кристаллической решетке металла под действием касательных напряжений происходит необратимое перемещение атомов. При небольших 
напряжениях атомы смещаются незначительно и после снятия напряжений 
возвращаются в исходное положение. При увеличении касательного 
напряжения наблюдается необратимое смещение атомов на параметр решетки, т. е. происходит пластическая деформация. 
Прочность – способность материала сопротивляться деформациям  
и разрушению под действием внешних нагрузок. 
В зависимости от условий нагружения механические свойства могут 
определяться при: 

9