Металловедение : основы металловедения. В 2 т. Т. 1

И.И. Новиков, В.С. Золоторевский, В.К. Портной, Н.А. Белов, Д.В. Ливанов, С.В. Медведева, А.А. Аксёнов, Ю.В. Евсеев




М Е Т А Л Л О В Е Д Е Н И Е
Том 1. Основы металловедения

Под общей редакцией профессора В.С. Золоторевского
2-е издание, исправленное



Рекомендовано учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Металлургия»




ИЗДАТЕЛЬСКИЙ ДОМ

Москва 2014

УДК 669.017
ББК 34.2
     М54





Рецензент
д-р техн. наук, проф. А.А. Попов
(зав. кафедрой термообработки и физики металлов УрФУ)


      Авторы: И.И. Новиков, В.С. Золоторевский, В.К. Портной, Н.А. Белов, Д.В. Ливанов, С.В. Медведева, А.А. Аксёнов, Ю.В. Евсеев

        Металловедение : учеб. В 2 т. Т. 1. Основы металловедения / И.И. Новиков, М54 В.С. Золоторевский, В.К. Портной [и др.]; под общ. ред. В.С. Золоторевского. — 2-е изд., испр. - М. : Изд. Дом МИСиС, 2014. - 496 с.

        ISBN 978-5-87623-191-8

        В учебнике изложены основы металловедения и термической обработки, особенности структуры и свойств промышленных сплавов и композиционных материалов на металлической основе.
        В томе 1 даны представления о кристаллической структуре металлов и ее дефектах, методах структурного анализа, элементах теории фазовых превращений. Проанализированы фазовые диаграммы двойных и многокомпонентных систем, неравновесная кристаллизация, процессы деформации и разрушения, механические, физические и технологические свойства металлов и сплавов, их структура и свойства после обработки давлением.
        Учебник рекомендован студентам и аспирантам, обучающимся по направлению «Металлургия», может служить учебным пособием для студентов, обучающихся по направлению «Материаловедение и технологии материалов».
        Ил. 353. Табл. 36. Библиогр. список: 11 назв.
УДК 669.017
                                                                     ББК 34.2


ISBN 978-5-87623-191-8

© Коллектив авторов, 2014

            ОГЛАВЛЕНИЕ



ПРЕДИСЛОВИЕ......................................................... 9
ВВЕДЕНИЕ........................................................... 11
Глава 1. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ И ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ........................................ 13
    1.1. Структура металлов........................................ 13
    1.2. Элементарная кристаллография.............................. 16
       1.2.1. Кристаллические решетки.............................. 16
       1.2.2. Обозначения кристаллографических плоскостей и направлений. 19
       1.2.3. Некоторые кристаллохимические характеристики металлических структур...................................... 22
       1.2.4. Основные типы кристаллических структур металлов...... 24
    1.3. Основные методы изучения структуры........................ 26
       1.3.1. Световая микроскопия................................. 26
       1.3.2. Рентгеновский анализ................................. 30
       1.3.3. Электронная микроскопия.............................. 35
    1.4. Дефекты кристаллического строения......................... 40
       1.4.1. Точечные дефекты..................................... 40
       1.4.2. Дислокации........................................... 43
       1.4.3. Малоугловые и высокоугловые границы зерен............ 57
    Вопросы для самоконтроля....................................... 59
Глава 2. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ЧИСТЫХ МЕТАЛЛАХ..................... 61
    2.1. Плавление металлов и строение расплава.................... 62
    2.2. Кристаллизация металлов из жидкости....................... 64
       2.2.1. Зарождение кристаллов................................ 64
       2.2.2. Рост кристаллов...................................... 68
       2.2.3. Кривые Таммана....................................... 70
       2.2.4. Кривые охлаждения.................................... 70
       2.2.5. Форма металлических кристаллов....................... 71
       2.2.6. Зеренное строение металлического слитка.............. 73
    2.3. Полиморфные превращения в металлах........................ 75
    Вопросы для самоконтроля....................................... 77
Глава 3. ФАЗОВЫЕ ДИАГРАММЫ ДВОЙНЫХ СИСТЕМ.......................... 79
    3.1. Правило фаз............................................... 70
    3.2. Правило рычага............................................ 82

3

    3.3. Элементы геометрической термодинамики........................ 84
    3.4. Методы построения фазовых диаграмм........................... 89
    3.5. Типы фаз в сплавах........................................... 90
       3.5.1. Твердые растворы........................................ 90
       3.5.2. Промежуточные фазы...................................... 92
    3.6. Фазовые диаграммы систем с непрерывным рядом твердых растворов. 96
    3.7. Темп кристаллизации.......................................... 99
    3.8. Фазовая диаграмма системы с неограниченной взаимной растворимостью компонентов с точкой минимума.................... 100
    3.9. Фазовая диаграмма системы с расслоением в твердом состоянии. 101
    3.10. Фазовые диаграммы систем эвтектического типа............... 102
       3.10.1. Простейшие диаграммы состояния эвтектического типа.... 102
       3.10.2. Фазовые диаграммы систем с ретроградным солидусом..... 108
       3.10.3. Особенности кристаллизации и строения сплавов эвтектической системы...................................................... 109
    3.11. Фазовые диаграммы систем перитектического типа............. 114
    3.12. Фазовые диаграммы систем с промежуточными фазами........... 118
       3.12.1. Системы с конгруэнтно-плавящимися промежуточными фазами.. 118
       3.12.2. Системы с инконгруэнтно-плавящимися промежуточными фазами....................................................... 119
    3.13. Фазовые диаграммы систем с расслоением в жидком состоянии и монотектическим превращением.................................. 121
    3.14. Фазовые диаграммы систем с полиморфизмом компонентов....... 123
    3.15. Фазовая диаграмма системы железо-углерод................... 129
       3.15.1. Фазовая диаграмма системы железо-цементит............. 130
       3.15.2. Микроструктура сталей................................. 132
       3.15.3. Микроструктура белых чугунов.......................... 136
       3.15.4. Фазовая диаграмма системы железо-графит............... 138
    Вопросы для самоконтроля......................................... 143
Глава 4. ФАЗОВЫЕ ДИАГРАММЫ ТРОЙНЫХ И ЧЕТВЕРНЫХ СИСТЕМ................... 145
    4.1. Геометрическое изображение состава тройных сплавов на концентрационном треугольнике................................ 145
       4.1.1. Концентрационный треугольник........................... 145
       4.1.2. Правила рычага и центра тяжести треугольника........... 148
       4.1.3. Классификация диаграмм состояния тройных систем........ 150
    4.2. Фазовые диаграммы трехкомпонентных систем с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях........ 151
       4.2.1. Пространственная диаграмма состояния простейшего типа
            с неограниченной растворимостью компонентов в твердом и жидком состояниях (без экстремальных точек в двойных системах)................................................ 152
       4.2.2. Кристаллизация трехкомпонентных сплавов-растворов...... 154
       4.2.3. Изотермические разрезы и их свойства................... 156
       4.2.4. Политермические разрезы и их свойства...................158

4

       4.2.5. Диаграммы состояния систем с экстремальными точками и бинодальным куполом......................................... 160
    4.3. Фазовые диаграммы трехкомпонентной системы с нонвариантным эвтектическим равновесием........................................ 162
       4.3.1. Проекция пространственной диаграммы с нонвариантным
           эвтектическим равновесием................................. 162
       4.3.2. Фазовые превращения в системе с нонвариантным эвтектическим равновесием....................................................167
       4.3.3. Изотермические разрезы диаграммы с нонвариантным эвтектическим равновесием..................................... 171
       4.3.4. Политермические разрезы диаграммы с нонвариантным эвтектическим равновесием..................................... 174
       4.3.5. Диаграмма с нонвариантным эвтектическим равновесием при отсутствии растворимости в твердом состоянии.............. 176
    4.4. Фазовые диаграммы тройных систем с промежуточными конгруэнтно-плавящимися соединениями............................. 179
       4.4.1. Проекция пространственной диаграммы с промежуточным
           двойным конгруэнтно-плавящимся соединением................ 180
       4.4.2. Изотермические разрезы диаграммы с промежуточным двойным конгруэнтно-плавящимся соединением.................... 183
       4.4.3. Политермические разрезы диаграммы с промежуточным двойным конгруэнтно-плавящимся соединением.................... 184
       4.4.4. Квазибинарные разрезы и их свойства.................... 186
       4.4.5. Триангуляция тройных диаграмм с промежуточными конгруэнтно-плавящимися соединениями.......................... 186
    4.5. Фазовые диаграммы тройной системы с промежуточным инконгруэнтно-плавящимся соединением и нонвариантным перитектическим равновесием...................................................... 188
       4.5.1. Проекция пространственной диаграммы с промежуточным
           двойным инконгруэнтно-плавящимся соединением.............. 189
       4.5.2. Фазовые превращения в системе с промежуточным двойным инконгруэнтно-плавящимся соединением.......................... 191
       4.5.3. Изотермические разрезы диаграммы с промежуточным двойным инконгруэнтно плавящимся соединением.......................... 198
       4.5.4. Политермические разрезы фазовой диаграммы с промежуточным двойным инконгруэнтно-плавящимся соединением.................... 198
    4.6. Фазовые диаграммы тройной системы с моновариантным монотектическим равновесием........................................................202
       4.6.1. Проекция пространственной диаграммы с моновариантным
           монотектическим превращением................................202
       4.6.2. Фазовые превращения в системе с моновариантным монотектическим превращением....................................................205
    4.7. Геометрическое изображение состава четверных сплавов и фазовых равновесий в четверных системах на концентрационном треугольнике...209
       4.7.1. Геометрическое изображение четверных диаграмм............209

5

      4.7.2. Построение изотермических разрезов.....................212
    4.8. Политермические диаграммы четверной системы с нонвариантным эвтектическим равновесием.......................................215
      4.8.1. Политермические диаграммы и анализ реакций при кристаллизации.215
      4.8.2. Построение политермических разрезов....................218
    Вопросы для самоконтроля........................................219
Глава 5. НЕРАВНОВЕСНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СПЛАВОВ...................... 223
    5.1. Анализ неравновесной кристаллизации сплавов................224
    5.2. Влияние скорости охлаждения при кристаллизации на характеристики дендритной ликвации.............................................228
    5.3. Кристаллизация метастабильных фаз..........................233
    5.4. Особенности структуры сплавов при сверхбыстрой кристаллизации и аморфизации...................................................235
    Вопросы для самоконтроля........................................239
Глава 6. ДЕФОРМАЦИЯ И РАЗРУШЕНИЕ................................... 240
    6.1. Упругая деформация и модули упругости......................241
    6.2. Неполная упругость металлов................................244
    6.3. Пластическая деформация и деформационное упрочнение........247
       6.3.1. Низкотемпературная пластическая деформация металлов скольжением и деформационное упрочение.................................. 248
       6.3.2. Пластическая деформация металлов двойникованием.......260
       6.3.3. Влияние различных факторов на пластическую деформацию металлов и их деформационное упрочнение...............................263
       6.3.4. Влияние примесей и легирования на пластическую деформацию и упрочнение.................................................270
    6.4. Разрушение.................................................274
      6.4.1. Виды разрушения металлов...............................274
      6.4.2. Механизмы зарождения трещин............................276
      6.4.3. Развитие трещины с позиций механики разрушения.........279
      6.4.4. Вязкое разрушение......................................281
      6.4.5. Хрупкое разрушение.....................................285
    Вопросы для самоконтроля........................................288
Глава 7. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ.................. 291
    7.1. Свойства при статических испытаниях........................292
       7.1.1. Испытания на растяжение...............................292
       7.1.2. Испытания на сжатие...................................306
       7.1.3. Испытания на изгиб....................................308
       7.1.4. Влияние легирования и структуры на механические свойства металлов при статических испытаниях гладких образцов..................311
       7.1.5. Применение концентраторов напряжений при статических испытаниях...................................................318

6

    7.2. Свойства при динамических испытаниях............................325
       7.2.1. Особенности пластической деформации и разрушения при динамическом нагружении....................................326
       7.2.2. Динамические испытания на изгиб образцов с надрезом........327
    7.3. Твердость...................................................... 333
       7.3.1. Твердость по Бринеллю......................................334
       7.3.2. Твердость по Виккерсу......................................336
       7.3.3. Твердость по Роквеллу......................................337
       7.3.4. Микротвердость............................................ 339
    7.4. Жаропрочность.................................................. 340
       7.4.1. Явление ползучести.........................................341
       7.4.2. Испытания на ползучесть....................................346
       7.4.3. Третья стадия ползучести и разрушение......................348
       7.4.4. Испытания на длительную прочность..........................349
       7.4.5. Влияние легирования и структуры на характеристики жаропрочности 351
    7.5. Усталость.......................................................356
       7.5.1. Методика проведения усталостных испытаний..................356
       7.5.2. Природа усталостного разрушения............................361
    Вопросы для самоконтроля.............................................367
Глава 8. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ................................... 370
    8.1. Металлическая связь и общие особенности металлического состояния.371
    8.2. Теплоемкость....................................................379
    8.3. Коэффициент теплового расширения................................385
    8.4. Электропроводность и теплопроводность...........................388
    8.5. Термоэлектрические эффекты и эффект Холла.......................397
    8.6. Магнитные свойства............................................. 399
    Вопросы для самоконтроля.............................................408
Глава 9. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СПЛАВОВ ПОСЛЕ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ............................................................... 410
    9.1. Виды обработки металлов давлением и особенности структуры деформированных полуфабрикатов.....................................410
       9.1.1. Основные виды обработки металлов давлением и их параметры..410
       9.1.2. Текстура деформации........................................414
       9.1.3. Изменения структуры и субструктуры при обработке давлением.416
    9.2. Особенности структуры сплавов после интенсивной пластической деформации.........................................................425
    9.3. Сверхпластическая деформация....................................429
       9.3.1. Феноменология сверхпластичности............................429
       9.3.2. Механизмы сверхпластической деформации.....................435
    Вопросы для самоконтроля.............................................440

7

Глава 10. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ.......................... 442
    10.1. Литейные свойства..........................................442
       10.1.1. Жидкотекучесть........................................442
       10.1.2. Склонность к образованию усадочных пустот.............446
       10.1.3. Герметичность.........................................449
       10.1.4. Линейная усадка.......................................449
       10.1.5. Склонность к образованию горячих трещин...............453
       10.1.6. Ликвационные явления в слитках и отливках.............460
    10.2. Свариваемость..............................................461
       10.2.1. Разновидности сварки..................................461
       10.2.2. Дефекты сварных соединений и оценка свариваемости.....465
    10.3. Оценка паяемости.......................................... 471
       10.3.1. Общая характеристика процессов пайки..................471
       10.3.2. Оценка паяемости и свойств паяных соединений..........479
    10.4. Обрабатываемость давлением.................................481
       10.4.1. Оценки технологической пластичности при горячей деформации.482
       10.4.2. Оценки технологической пластичности при холодной деформации 485
Вопросы для самоконтроля......................................... 489
Библиографический список............................................ 492

            ПРЕДИСЛОВИЕ



   Курс «Металловедение» под разными названиями изучается студентами вузов всех профилей и специальностей по направлениям «Металлургия» и «Материаловедение и технологии материалов», а также по многим другим направлениям подготовки. В связи с переходом российских вузов на многоуровневое образование он понадобится обучающимся по бакалаврским и магистерским программам, а также, по крайней мере в ближайшие годы, студентам, получающим инженерное образование. В зависимости от направления, профиля, специальности студенты будут изучать металловедение в разном объеме, с необходимым набором разделов, различной глубиной их проработки. В связи с этим необходим универсальный учебник для всех, кто изучает металловедение. В зависимости от рабочей учебной программы дисциплины преподаватель сможет рекомендовать студентам прорабатывать нужные разделы этого учебника в необходимом объеме.
   Именно такой учебник и пытались создать авторы. В него включены практически все разделы металловедения, начиная с атомно-кристаллической структуры металлов до структуры и свойств наиболее важных промышленных сплавов.
   В первом томе «Основы металловедения» 10 глав, в которых последовательно рассматриваются кристаллическое строение металлов и дефекты кристаллической решетки, элементы теории фазовых превращений в металлах, фазовые диаграммы двойных и тройных систем, неравновесная кристаллизация сплавов, деформация и разрушение, механические и физические свойства металлов и сплавов, структура и свойства металлов после обработки давлением, технологические свойства сплавов.
   Во втором томе «Термическая обработка. Сплавы» 14 глав. Первая их них посвящена анализу видов термической обработки металлов и сплавов, а все последующие — основным сплавам, используемым сейчас в промышленности: углеродистым и легированным сталям, чугунам, цветным металлам и сплавам на их основе (алюминиевым, магниевым, титановым, медным, никелевым, тугоплавким, легкоплавким, драгоценным, радиоактивным), а также композиционным материалам на металлической основе.
   При написании учебника авторы — преподаватели кафедры металловедения цветных металлов НИТУ «МИСиС» использовали многолетний опыт ее работы. Первые учебники по металловедению и термической обработке были написаны на кафедре еще в 1930-х годах ее основателем академиком А.А. Бочваром. Известны также учебные пособия профессоров М.В. Захарова и А.М. Захарова по фазовым диаграммам двух- и многокомпонентных систем, профессора М.В. Мальцева и других по металлографии цветных металлов и сплавов. Особенно широко известны и до сих пор используются многократно переиздававшиеся учебники профессора И.И. Новикова «Теория термической обработки металлов», «Дефекты кристаллической решетки», «Металловедение,

9

термообработка и рентгенография» (эта книга написана совместно с Г.Б. Строгановым и А.И. Новиковым).
   Глава 1 написана И.И. Новиковым и В.К. Портным, глава 2 — И.И. Новиковым, глава 3 — И.И. Новиковым и С.В. Медведевой, глава 4 — Н.А. Беловым, глава 5 — И.И. Новиковым и В.С. Золоторевским, главы 6, 7 — В.С. Золоторевским, глава 8 — Д.В. Ливановым, главы 9, 10 — В.К. Портным.
   В учебнике даются ссылки на ГОСТы, действовавшие на момент издания. Проверка и уточнение ГОСТов в соответствии с новыми редакциями может быть проведена с использованием сайта www.gost.ru.
   Приводимые по тексту фотографии микроструктур сделаны на световых или электронных микроскопах. В тех случаях, когда применялся сканирующий электронный микроскоп, в подрисуночной подписи дано его обозначение — СЭМ, для просвечивающего электронного микроскопа — ПЭМ, для светового микроскопа обозначений нет.
   Авторы выражают большую благодарность кафедре термической обработки и физики металлов Уральского федерального университета во главе с проф. А.А. Поповым за рецензирование учебника и конструктивные замечания.