Конструкционные материалы. Полный курс

М. Эшби, Д. Джонс

КонструКционные 

Материалы 
Полный Курс

Перевод третьего английского издания

 под редакцией С. Л. Баженова

М. Эшби, Д. Джонс

Конструкционные материалы. Полный курс. Учебное пособие / М. Эшби, Д.
Джонс – Перевод 3го английского издания – Долгопрудный: Издательский Дом
«Интеллект», 2010. – 672 с.

Учебное руководство создано известными специалистами из Кембриджского
университета. Подробно рассмотрены механические свойства и микроструктуры
металлов и сплавов, полимеров, керамик и композитов. Особое внимание уделено
характеристикам прочности для различных режимов нагружения, коррозионной
стойкости и процессам обработки.
На многочисленных примерах дается обоснование инженерных расчетов, необходимых для конструирования в самом  широком спектре применений.
Учебник является незаменимым источником для инженеровпроектировщиков
в промышленности и строительстве по всем направлениям материаловедения и не
имеет аналогов в мировой литературе.
Для студентов и преподавателей материаловедческих, машиностроительных и
общетехнических факультетов, разработчиков, конструкторов и технологов.

ISBN 9785910590600

ISBN 9785915590600
ISBN 9780750663809 (англ., т. 1)
ISBN 9780750663816 (англ., т. 2)

                          © 2010, ООО Издательский Дом
                           «Интеллект», перевод на русский язык,
                            оригиналмакет, оформление

 © 2005, 2006, Elsevier Ltd.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие редактора перевода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15

Ч а с т ь I. Свойства и применения
Г л а в а 1
Конструкционные материалы и их свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
1.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
1.2.
Выбор материала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19

Цена и доступность

Г л а в а 2
Цена и доступность. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
2.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
2.2.
Цена материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
2.3.
Использование материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
2.4.
Доступные материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
2.5.
Экспоненциальный рост потребления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
2.6.
Доступность ресурсов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
2.7.
Прогноз на будущее . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
2.8.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37

Модули упругости

Г л а в а 3
Модули упругости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
3.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
3.2.
Определение напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
3.3.
Определение деформации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
3.4.
Закон Гука. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
3.5.
Измерение модуля упругости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
3.6.
Значения модуля упругости. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47

Г л а в а 4
Связь между атомами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
4.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
4.2.
Химические связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
4.3.
Физические связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52

Оглавление

4.4.
Конденсированное состояние материи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
4.5.
Межатомные силы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56

Г л а в а 5
Упаковка атомов в твердых телах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
5.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
5.2.
Упаковка атомов в кристаллах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
5.3.
Плотноупакованные структуры и энергия кристалла . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
5.4.
Кристаллография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
60
5.5.
Индексы плоскостей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62
5.6.
Индексы направления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
5.7.
Другие простые кристаллические структуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
5.8.
Упаковка атомов в полимерах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
5.9.
Упаковка атомов в неорганических стеклах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
5.10. Плотность твердых веществ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70

Г л а в а 6
Физическая природа жесткости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
6.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
6.2.
Модули упругости кристаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
6.3.
Каучук и температура стеклования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
73
6.4.
Композиты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
75
6.5.
Резюме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78

Г л а в а 7
Примеры влияния модуля упругости материала на конструирование . . . . . . . . . . . . . .
80
7.1.
Пример 1. Выбор материала для зеркала телескопа . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80
7.2.
Пример 2. Выбор материала балки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
84
7.3.
Пример 3. Выбор материала для экономичной балки . . . . . . . . . . . . . . . .
85
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
86

Предел текучести, предел прочности и деформация при разрыве

Г л а в а 8
Предел текучести, предел прочности и деформация при разрыве . . . . . . . . . . . . . . . .
88
8.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
88
8.2.
Линейная и нелинейная упругость. Анэластическое поведение . . . . . . . . . .
88
8.3.
Диаграммы деформирования пластичных материалов. . . . . . . . . . . . . . . . .
90
8.4.
Диаграммы истинное напряжение — истинная деформация . . . . . . . . . . . .
91
8.5.
Работа пластической деформации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
8.6.
Испытание на растяжение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
8.7.
Результаты испытаний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
94
8.8.
Определение твердости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
97
8.9.
Термины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
98
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
102

Г л а в а 9
Дислокации и деформирование кристаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
104
9.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
104
9.2.
Прочность идеального кристалла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
104
9.3.
Дислокации в кристаллах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
106

Оглавление
5

9.4.
Силы, действующие на дислокацию . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
112
9.5.
Другие свойства дислокаций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
113
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
113

Г л а в а 10
Методы упрочнения и пластичность поликристаллических материалов . . . . . . . . . . . .
114
10.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
114
10.2.
Механизмы упрочнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
114
10.3.
Упрочнение вследствие образования твердого раствора . . . . . . . . . . . . . . .
115
10.4.
Упрочнение вследствие выпадения частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
115
10.5.
Механическое упрочнение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
117
10.6.
Дислокационной предел текучести . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
117
10.7.
Текучесть поликристаллических материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
118
10.8.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
120
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
120

Г л а в а 11
Пластическое течение сплошной среды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
122
11.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
122
11.2.
Наступление текучести и предел текучести при сдвиге k . . . . . . . . . . . . . .
122
11.3.
Определение твердости. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
124
11.4.
Образование шейки при растяжении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
125
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
128

Г л а в а 12
Примеры учета текучести материала при конструировании . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
131
12.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
131
12.2.
Пример 1. Упругие материалы для производства пружин . . . . . . . . . . . . . .
131
12.3.
Пример 2. Использование пластичных материалов в сосудах высокого давления
135
12.4.
Пример 3. Пластичность при прокатке металлов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
137
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
138

Хрупкое разрушение и вязкость разрушения

Г л а в а 13
Хрупкое разрушение и вязкость разрушения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
141
13.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
141
13.2.
Энергетический критерий хрупкого разрушения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
141
13.3.
Gc и Kc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
145
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
149

Г л а в а 14
Микромеханизмы хрупкого разрушения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
151
14.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
151
14.2.
Механизмы распространения трещины. I. Вязкое разрушение . . . . . . . . . . .
151
14.3.
Механизмы распространения трещины. II. Скол . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
153
14.4.
Композиты и древесина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
155
14.5.
Как подавить хрупкость сплавов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
156
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
156

Г л а в а 15
Примеры катастрофического разрушения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
158
15.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
158
15.2.
Пример 1. Разрушение цистерны с аммиаком . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
158

Оглавление

15.3.
Пример 2. Взрыв иллюминатора из оргстекла при гидростатических испытаниях
161
15.4.
Пример 3. Растрескивание кожуха резервуара с жидким метаном . . . . . . . .
163
15.5.
Пример 4. Развалившиеся деревянные перила балкона . . . . . . . . . . . . . . .
165
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
169

Г л а в а 16
Вероятностное разрушение хрупких материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
170
16.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
170
16.2.
Разброс прочности и распределение Вейбулла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
172
16.3.
Пример. Растрескивание пенополиуретана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
176
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
177

Усталостное разрушение

Г л а в а 17
Усталостное разрушение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
179
17.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
179
17.2.
Усталостное поведение деталей, не содержащих трещин. . . . . . . . . . . . . . .
180
17.3.
Усталостное поведение деталей, содержащих трещины . . . . . . . . . . . . . . . .
183
17.4.
Механизмы усталостного распространения трещины . . . . . . . . . . . . . . . . .
184
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
185

Г л а в а 18
Учет усталости при конструировании. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
189
18.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
189
18.2.
Усталостные характеристики деталей, не имеющих трещин . . . . . . . . . . . .
189
18.3.
Концентрация напряжений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
190
18.4.
Коэффициент чувствительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
191
18.5.
Усталостные характеристики сварных швов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
192
18.6.
Способы улучшения усталостных свойств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
194
18.7.
Проектирование с целью устранения усталостных циклов . . . . . . . . . . . . .
194
18.8.
Проверка сосудов высокого давления на наличие усталостных трещин . . . . .
196
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
197

Г л а в а 19
Примеры усталостного разрушения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
199
19.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
199
19.2.
Пример 1. Высокоцикловое усталостное разрушение детали, не содержащей
трещин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
199
19.3.
Пример 2. Низкоцикловое усталостное разрушение детали, не содержащей
трещин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
205
19.4.
Пример 3. Усталостное разрушение детали, содержащей трещины. Обеспечение надежной работы парового насоса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
208
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
211

Ползучесть и разрушение

Г л а в а 20
Ползучесть и разрушение при ползучести . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
213
20.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
213
20.2.
Исследование ползучести и кривые ползучести. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
217
20.3.
Релаксация напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
218
20.4.
Накопление повреждений и разрушение при ползучести . . . . . . . . . . . . . .
219
20.5.
Материалы, стойкие к ползучести . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
221
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
221

Оглавление
7

Г л а в а 21
Кинетическая теория диффузии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
223
21.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
223
21.2.
Диффузия и закон Фика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
224
21.3.
Значения коэффициентов диффузии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
227
21.4.
Механизмы диффузии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
228
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
229

Г л а в а 22
Механизмы ползучести и материалы, стойкие к ползучести . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
231
22.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
231
22.2.
Механизмы ползучести в металлах и керамических материалах . . . . . . . . . .
231
22.3.
Механизмы ползучести полимеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
238
22.4.
Выбор стойких к ползучести материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
239
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
240

Г л а в а 23
Разработка лопасти турбины, стойкой к ползучести . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
241
23.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
241
23.2.
Требования к характеристикам лопастей турбины . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
242
23.3.
Суперсплавы на основе никеля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
243
23.4.
Конструкционные разработки — охлаждение лопастей . . . . . . . . . . . . . . . .
245
23.5.
Перспективные разработки металлов и композитов с металлической матрицей 247
23.6.
Разработка термостойких керамических материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . .
248
23.7.
Рентабельность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
249
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
250

Окисление и коррозия

Г л а в а 24
Окисление материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
251
24.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
251
24.2.
Энергия окисления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
251
24.3.
Скорость окисления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
253
24.4.
Данные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
255
24.5.
Механизмы окисления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
256
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
258

Г л а в а 25
Примеры сухого окисления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
260
25.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
260
25.2.
Пример 1. Получение нержавеющих сплавов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
260
25.3.
Пример 2. Защита лопастей турбины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
261
25.4.
Соединение деталей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
264
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
264

Г л а в а 26
Коррозия материалов под действием влаги . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
266
26.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
266
26.2.
Коррозия под действием влаги . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
266
26.3.
Разность электрических потенциалов как движущая сила окисления . . . . . .
267
26.4.
Скорость окисления во влажных условиях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
269
26.5.
Локальное воздействие коррозии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
270
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
272

Оглавление

Г л а в а 27
Примеры проектирования деталей, работающих во влажных условиях . . . . . . . . . . . .
275
27.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
275
27.2.
Пример 1. Защита подземных труб . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
275
27.3.
Пример 2. Материалы для облегченной крыши фабричного здания . . . . . . .
277
27.4.
Пример 3. Выхлопная система автомобиля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
279
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
280

Трение и износ

Г л а в а 28
Трение и износ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
282
28.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
282
28.2.
Трение между материалами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
282
28.3.
Значения коэффициентов трения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
284
28.4.
Смазка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
285
28.5.
Износ материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
287
28.6.
Требования к поверхностным и объемным свойствам . . . . . . . . . . . . . . . .
288
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
289

Г л а в а 29
Примеры трения и износа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
291
29.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
291
29.2.
Пример 1. Конструирование подшипников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
291
29.3.
Пример 2. Материалы полозьев лыж и саней . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
294
29.4.
Пример 3. Резины с высоким коэффициентом трения . . . . . . . . . . . . . . . .
296
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
297

Использование металлов, керамических материалов,
полимеров и композитов

Г л а в а 30
Использование различных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
298
30.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
298
30.2.
Методология проектирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
300

Г л а в а 31
Пример проектирования. Материалы, потребление топлива и конструирование автомобиля 303
31.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
303
31.2.
Энергия и автомобили . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
303
31.3.
Пути экономии энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
304
31.4.
Материалы, из которых изготавливают автомобиль . . . . . . . . . . . . . . . . . .
305
31.5.
Альтернативные материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
305
31.6.
Методы производства. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
310
31.7.
Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
311

Ч а с т ь II. Микроструктуры и процессы обработки

М е т а л л ы

Г л а в а 32
Металлы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
313
32.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
313
32.2.
Изготовление парового минидвигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
313

Оглавление
9

32.3.
Металлы для изготовления банок для напитков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
318
32.4.
Искусственный тазобедренный сустав . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
319
32.5.
Свойства металлов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
322
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
322

Г л а в а 33
Структура металлов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
323
33.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
323
33.2.
Кристаллическая и аморфная структура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
323
33.3.
Структура растворов и соединений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
325
33.4.
Фазы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
327
33.5.
Границы зерен и фаз . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
327
33.6.
Форма зерен и частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
329
33.7.
Резюме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
330
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
331

Г л а в а 34
Равновесное строение и фазовые диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
333
34.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
333
34.2.
Определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
333
34.3.
Фазовая диаграмма «свинец–цинк» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
334
34.4.
Неопределенные строения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
337
34.5.
Другие фазовые диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
338
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
339

Г л а в а 35
Примеры фазовых диаграмм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
341
35.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
341
35.2.
Выбор мягких припоев . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
341
35.3.
Чистый кремний для микросхем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
344
35.4.
Получение льда, не содержащего пузырьков воздуха . . . . . . . . . . . . . . . . .
349
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
351

Г л а в а 36
Движущие силы структурных изменений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
353
36.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
353
36.2.
Движущие силы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
353
36.3.
Обратимость. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
356
36.4.
Стабильность, нестабильность и метастабильность . . . . . . . . . . . . . . . . . .
357
36.5.
Движущая сила кристаллизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
358
36.6.
Фазовые переходы в твердом состоянии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
360
36.7.
Рост частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
360
36.8.
Рост зерен . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
361
36.9.
Рекристаллизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
361
36.10. Величина движущих сил . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
361
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
362

Г л а в а 37
Кинетика изменения структуры. I. Диффузионные переходы . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
363
37.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
363
37.2.
Твердение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
363
37.3.
Влияние теплоотдачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
367

Оглавление

37.4.
Фазовые переходы в твердом состоянии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
368
37.5.
Кинетика, регулируемая диффузией . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
368
37.6.
Форма зерен и частиц выпадающей фазы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
369
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
371

Г л а в а 38
Кинетика изменения структуры. II. Появление зародышей кристаллизации . . . . . . . . .
373
38.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
373
38.2.
Образование зародышей кристаллизации в расплавах . . . . . . . . . . . . . . . .
373
38.3.
Гетерогенное зарождение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
375
38.4.
Образование зародышей кристаллизации в твердых веществах. . . . . . . . . . .
378
38.5.
Резюме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
378
38.6.
Постскриптум . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
379
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
379

Г л а в а 39
Кинетика изменения структуры. III. Мартенситные переходы . . . . . . . . . . . . . . . . . .
381
39.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
381
39.2.
Диффузионный ГЦК → ОЦК-переход в чистом железе . . . . . . . . . . . . . . .
382
39.3.
Диаграмма время–температура–переход . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
385
39.4.
Мартенситный ГЦК → ОЦК-переход . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
385
39.5.
Образование мартенсита . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
387
39.6.
Мартенситный переход в стали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
389
39.7.
Свойства мартенсита . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
391
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
392

Г л а в а 40
Примеры фазовых переходов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
393
40.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
393
40.2.
Искусственное вызывание дождя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
393
40.3.
Мелкозернистый литой металл . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
396
40.4.
Монокристаллы для полупроводников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
398
40.5.
Аморфные металлы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
401
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
403

Г л а в а 41
Легкие сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
404
41.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
404
41.2.
Упрочнение созданием твердого раствора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
405
41.3.
Упрочнение отжигом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
407
41.4.
Механическое упрочнение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
413
41.5.
Термостойкость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
414
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
414

Г л а в а 42
Стали. I. Углеродистые стали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
416
42.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
416
42.2.
Микроструктуры, возникающие при медленном охлаждении . . . . . . . . . . . .
416
42.3.
Механические свойства нормализованных углеродистых сталей . . . . . . . . . .
421
42.4.
Закаленные и отпущенные углеродистые стали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
421
42.5.
Чугуны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
424
42.6.
Некоторые замечания по поводу C-диаграмм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
425
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
427