Структуры металлов и сплавов в технологических процессах машиностроения

УДК 669.1/.8:539.24

Анисович, А. Г. Структуры металлов и сплавов в тех
нологических процессах машиностроения / А. Г. Анисович, 
А. А. Андрушевич. – Минск : Беларуская навука, 2018. – 134 с. – 
ISBN 978-985-08-2363-2.

Представлены структуры металлических материалов после различных 
видов обработки – литья, обработки давлением, термической обработки, поверхностного упрочнения, структуры компактных, порошковых и гранулированных материалов, а также наплавленных и гальванических покрытий. Дано 
принципиальное описание процессов обработки металлов применительно  
к технологическим процессам, применяемым на производстве. Издание может быть использовано в качестве учебного пособия для студентов технических специальностей высших учебных заведений Республики Беларусь  
при прохождении теоретического курса и проведении лабораторных занятий 
по материаловедению и металлографии.
Данное издание предназначено для студентов и магистрантов, изучающих технологические процессы изготовления деталей различными методами 
металлообработки, а также инженерно-технических специалистов, совершенствующихся в данной области. 
Табл. 5. Ил. 152. Библиогр.: 28 назв. 

Р е ц е н з е н т ы:

доктор технических наук, профессор С. М. Ушеренко;

доктор технических наук, профессор М. Л. Хейфец

Ó Анисович А. Г., Андрушевич А. А., 2018
Ó Оформление. РУП «Издательский дом 
«Беларуская навука», 2018

ISBN 978-985-08-2363-2

ВВЕДЕНИЕ

Свойства металлических изделий и полуфабрикатов формируются при их получении с применением различных процес- 
сов – термической обработки, обработки давлением, литья, поверхностного упрочнения и нанесения покрытий. Свойства зависят как от химического состава металлического материала, 
так и структуры, которая имеет ключевое значение. Для сплава 
одного и того же состава возможно получение различных видов 
структуры, которая и определяет конечный комплекс эксплуатационных характеристик. Важной практической задачей металлографии является идентификация и описание этих структур, 
что производится сравнением с известными структурами (справочными данными), приведенными в литературе.
В данном издании представлены микроструктуры деталей, 
изготовленных с помощью разнообразных технологических 
процессов машиностроения. Процессы литья, обработки давлением, порошковой металлургии и поверхностного упрочнения изделий рассмотрены в объеме, достаточном для понимания 
и описания представленных микроструктур.

Монография состоит из шести глав, каждая из которых посвящена описанию микроструктур металлов и сплавов, полученных в результате различных технологических процессов: 
литья, обработки металлов давлением, термической обработки, 
методов порошковой металлургии, наплавки и напыления. Материалы данного издания дополняют ранее опубликованное авторами; глава 3 (термическая обработка) повторена и расширена 
в данном издании для полноты изложения материала.

Монография может быть использована в учебном процессе 
для закрепления теоретической части дисциплин материаловедческого направления, расширения знаний и практического 
ознакомления студентов и магистрантов с взаимосвязями между химическим составом, структурой и свойствами металлов  
и сплавов, а также установления пригодности выбранной технологии обработки для обеспечения требуемых структуры и эксплуатационных характеристик изделий. Издание соответствует 
учебным программам для студентов по специальностям «Материаловедение в машиностроении», «Технология конструкционных материалов», «Металловедение».

1

СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ СТРУКТУРОЙ  
И СВОЙСТВАМИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

1.1. Роль микроструктурных исследований  
в анализе технологических процессов

Современное машиностроение немыслимо без применения 
разнообразных металлических материалов. Номенклатура деталей, изготавливаемых из сплавов черных и цветных металлов, 
весьма значительна, причем большинство приходится на долю 
автотракторного, сельскохозяйственного и тяжелого машиностроения. Условия работы деталей машин зачастую связаны  
с высокими механическими и тепловыми нагрузками, наличием 
абразивных или химически агрессивных сред, что обуславливает 
необходимость применения особых конструкционных материалов, а также прогрессивных методов поверхностного упрочнения.
Для обеспечения необходимого уровня машиностроения  
и других отраслей промышленности требуется как создание 
новых, так и улучшение технологии производства традиционных металлических материалов, снижение брака и количе- 
ства отходов.
Качество металлических изделий определяется известной 
триадой «состав–структура–свойства». Наиболее важным элементом здесь является структура, возможности трансформации 
которой не ограничиваются изменением химического состава. 
Структура материала формируется в процессе его обработки.  
В связи с этим необходимо наличие глубоких знаний в области 
металлографии, широких представлений об общих закономерностях изменения физико-механических свойств важнейших 
металлов и их сплавов в зависимости от состава и структуры,  
а также владение современными методами анализа металлов. 

Информация о современных методах исследования и их широкое применение позволяют осуществлять не только анализ 
структуры и свойств промышленных металлов и сплавов, но  
и разработку и анализ деталей, получаемых в результате сложных технологических процессов. 
Наиболее востребованным и распространенным методом исследования строения промышленных металлов и сплавов является микроскопический анализ структуры. Способы его реализации – оптическая и растровая микроскопия. Микроструктурный 
анализ (микроанализ) заключается в исследовании структуры 
материалов при больших увеличениях с помощью оптических 
и электронных микроскопов. Основным и наиболее распространенным методом такого анализа является именно оптическая 
микроскопия, в основе которой лежит анализ видимого света, 
отраженного от поверхности образца. Без современного оборудования, обеспечивающего качественную и количественную 
оценку микроструктуры, невозможно представить себе современное материаловедение. Востребованность микроструктурного анализа в равной степени подтверждается как при решении 
исследовательских задач, так и на производстве при контроле 
технологических операций изготовления изделий.
В задачи микроструктурного анализа входит исследование микроструктуры как при разработке новых материалов, 
так и при создании новых технологических процессов обработки, а также для контроля качества металлической продукции.  
В качестве примеров можно привести следующие.
Структура литых материалов определяется, в первую оче
редь, условиями теплоотвода при кристаллизации. На рис. 1.1 
показаны структуры образцов алюминиевого сплава АК12, взятые из различных частей отливки. Разница в структурах краевой и центральной зоны показывает различия в условиях теплоотвода. Край отливки охлаждался быстрее; центр – медленнее, 
поэтому в нем успела сформироваться крупнокристаллическая 
структура. 
Модифицирование является одним из основных способов 
управления структурой литых материалов. Результаты процесса 

модифицирования определяются в том числе характером вводимого модификатора, временем его введения, скоростью охлаждения отливки при кристаллизации. Влияние состава модификатора на характер получаемой структуры показано на рис. 1.2.
Пережог относится к достаточно распространенным ошибкам термической обработки и связан с превышением температуры нагрева. При закалке такого сплава в нем образуются трещины (рис. 1.3). 

Пережог легко идентифицируется металлографически по оп
лавленным границам зерен, а также по резкому снижению механических свойств. Пережог возможен, прежде всего, в сплавах  

а 
б 

Рис. 1.1. Структура литого сплава АК12: край отливки (а), центр отливки (б)

а 
б 

Рис. 1.2. Влияние состава модификатора на структуру силумина: а – модифицирование NaPO3; б – модифицирование NaF

с узкой зоной гомогенности. К таким относится дюралюмин 
Д16, принадлежащий к системе Al–Cu–Mg. В состоянии поставки сплав Д16 имеет типичную структуру горячекатаного листа. 
В структуре сплава присутствуют включения упрочняющих  
и примесных фаз, распределенные как по телу зерна, так и сконцентрированные в границах зерен (рис. 1.4). Это интерметаллидные соединения типа CuAl2 (θ-фаза), Mg2Si, Al2CuMg (S-фаза), 
включения железистых фаз (FeAl3 и тройных фаз состава Fe–Si–
Al, Fe–Cu–Al, Fe–Mn–Al), которые характерны для сплава Д16 
после изготовления полуфабриката. Матрица сплава – твердый 
раствор легирующих элементов в алюминии. 
Термической обработкой сплава является закалка и старение (естественное или искусственное). Закалке предшествует 
гомогенизация. После гомогенизации с превышением температуры структура сплава представляет собой типичную структуру пережога. При этом оплавление происходит по границам 
зерен, при этом формируется эвтектика (рис. 1.5, а). Круп- 
ные включения эвтектики фиксируются также в теле зерна 
(рис. 1.5, б). 
В зависимости от назначения деталей металлы и сплавы, 
из которых они изготавливаются, должны обладать определенным комплексом свойств. Все физико-механические, технологические и эксплуатационные свойства металлов и их сплавов определяются химическим составом сплавов и внутренней 

Рис. 1.3. Закалочные трещины в образце сплава Д16

Рис. 1.4. Структура сплава Д16 в состоянии поставки

структурой. Структуру сплавов можно изменить различными 
внешними воздействиями (давлением, температурой, средой  
и т. д.). Все методы воздействия на структуру и свойства металлических деталей можно подразделить на три основных вида: 
механические, тепловые, химические (изменение состава),  
а также их сочетания – термомеханическая, химико-термическая обработки и т. п. Управляя структурой металла под действием одного из этих факторов или их совокупности, можно 
обеспечить требуемую надежность и долговечность металлических деталей машин и конструкций. Структуры металлов 
и сплавов, формирующиеся при внешних воздействиях, легко 
различаются металлографически. 

1.2. Основные методы воздействия на структуру металлов  
и сплавов

При механическом воздействии внешнее напряжение вы
зывает деформацию металлического материала, т. е. изменение размеров и форм тела. Деформация может быть упругой  
и пластической. При упругой деформации под действием внешних сил изменяются расстояния между атомами в кристаллической решетке. После снятия нагрузки эта деформация исчезает. 
При микроструктурном исследовании результат воздействия 

а 
б 

 

Рис. 1.5. Структура сплава Д16 после пережога: эвтектика по границам зерен (а) 
и в теле зерна (б)

механических сил заметен только в случае пластической де- 
формации. На рис. 1.6, а показана микроструктура литой меди,  
на рис. 1.6, б – та же медь после горячей пластической деформации. Признаком того, что металл пластически деформирован, 
является вытянутая форма зерен. 
Методы термического воздействия на металлическое изделие в процессе производства подразделяются на две большие 
группы: 
1. Воздействие непосредственно на металл, из которого производят изделие, в жидком состоянии или в процессе затвердевания; это, как правило, литейные технологии; 
2. Воздействие на металлическую деталь определенной 
формы и размеров в твердом состоянии. Сюда относят методы 
термической обработки, приводящие к изменениям структуры 
в металлических изделиях, сформированных в результате осуществления различных технологических процессов.
На рис. 1.7 показан результат влияния термического воздействия на структуру. В исходном состоянии сталь 20 имеет феррито-перлитную структуру (рис. 1.7, а), после закалки в стали 
сформировался мартенсит (рис. 1.7, б).
Влияние методов химического воздействия, в частности, 
изменение состава стали по углероду легко обнаруживается металлографически и позволяет определить количество углерода 

 

а 
б 

Рис. 1.6. Микроструктура меди: литье (а), литье и деформация (б)