Металловедение : термическая обработка. Сплавы. В 2 т. Т. 2

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 2. Термическая обработка. Сплавы

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 2. Термическая обработка. Сплавы / 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.- 528 с.

         ISBN 978-5-87623-217-5

         В учебнике изложены основы металловедения и термической обработки, особенности структуры и свойств промышленных сплавов и композиционных материалов.
         В томе 2 рассмотрены механизмы и кинетика фазовых превращений в твердом состоянии и основные разновидности термической обработки: отжиг первого рода, отжиг второго рода, закалка без полиморфного и с полиморфным превращением, старение, отпуск, термомеханическая и химико-термическая обработка. Проанализированы структура и свойства углеродистых и легированных сталей, чугунов, алюминия, магния, титана, меди, никеля, тугоплавких, легкоплавких, радиоактивных, драгоценных металлов и их сплавов, а также композиционных материалов на металлической основе.
         Учебник рекомендован студентам и аспирантам, обучающимся по направлению «Металлургия», может служить учебным пособием для студентов, обучающихся по направлению «Материаловедение и технологии материалов».
         Ил. 273. Табл. 82. Библиогр. список: 10 назв.


            УДК 669.017
            ББК 34.2



ISBN 978-5-87623-217-5

© Коллектив авторов, 2014

            ОГЛАВЛЕНИЕ





ПРЕДИСЛОВИЕ........................................................... 9

Глава 11. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ................... 11

    11.1. Классификация видов термической обработки.................. 12
    11.2. Отжиг первого рода......................................... 13
       11.2.1. Гомогенизационный отжиг............................... 13
       11.2.2. Рекристаллизационный и дорекристаллизационный отжиг... 19
       11.2.3. Отжиг для снятия напряжений........................... 44
    11.3. Отжиг второго рода......................................... 49
      11.3.1. Общие закономерности фазовых превращений в твердом состоянии...................................................... 49
       11.3.2. Отжиг сталей.......................................... 62
       11.3.3. Отжиг чугунов......................................... 75
       11.3.4. Отжиг цветных металлов и сплавов...................... 80
    11.4. Закалка.................................................... 83
       11.4.1. Закалка без полиморфного превращения.................. 84
       11.4.2. Закалка с полиморфным превращением.................... 90
    11.5. Старение и отпуск......................................... 130
       11.5.1. Старение............................................... 130
       11.5.2. Отпуск............................................... 161
    11.6. Термомеханическая обработка................................. 170
       11.6.1. Термомеханическая обработка стареющих сплавов.......... 171
       11.6.2. Термомеханическая обработка сталей, закаливаемых на мартенсит................................................... 175
    11.7. Химико-термическая обработка................................ 178
       11.7.1. Закономерности изменения состава и структуры при химико-термической обработке............................... 178
       11.7.2. Разновидности химико-термической обработки............. 183
    Вопросы для самоконтроля.......................................... 188

3

Глава 12. УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ...................................... 196

    12.1. Влияние содержания углерода на свойства стали........... 197
    12.2. Влияние примесей на свойства углеродистой стали......... 198
    12.3. Конструкционные углеродистые стали...................... 199
       12.3.1. Деформируемые конструкционные стали................ 199
       12.3.2. Конструкционные литейные углеродистые стали.........202
    12.4. Инструментальные углеродистые стали......................204
    Вопросы для самоконтроля ......................................205

Глава 13. ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ.......................................206

    13.1. Общая характеристика влияния примесей и легирующих элементов на структуру и свойства стали...................................206
       13.1.1. Легирующие элементы и примеси легированной стали....206
       13.1.2. Маркировка легированных сталей.............................208
       13.1.3. Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа.........208
       13.1.4. Распределение легирующих элементов в сталях.........209
       13.1.5. Классификация легированных сталей..........................210
       13.1.6. Влияние легирующих элементов на аустенитизацию и рост аустенитного зерна при нагреве стали.........................212
       13.1.7. Влияние легирующих элементов на превращения переохлажденного аустенита и прокаливаемость.................................214
       13.1.8. Влияние легирующих элементов на структурные изменения при отпуске.................................................216
    13.2. Конструкционные легированные стали.......................217
       13.2.1. Строительные стали..................................217
       13.2.2. Машиностроительные стали для холодной штамповки.....218
       13.2.3. Улучшаемые легированные стали.......................220
       13.2.4. Стали для цементации и азотирования.................224
       13.2.5. Пружинные стали.....................................226
       13.2.6. ПНП-стали...........................................232
       13.2.7. Подшипниковые стали.................................233
    13.3. Инструментальные легированные стали......................236
       13.3.1. Легированные стали для режущего и мерительного инструмента.236
       13.3.2. Быстрорежущие стали.................................237
       13.3.3. Штамповые стали.....................................239
    13.4. Стали с особыми свойствами...............................242
       13.4.1. Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали.............242
       13.4.2. Жаропрочные и жаростойкие стали.....................244
    13.5. Легированные стали для фасонного литья...................247
    Вопросы для самоконтроля.......................................248


4

Глава 14. ЧУГУНЫ..................................................250

    14.1. Легирующие элементы в чугунах...........................250
    14.2. Серый чугун с пластинчатым графитом..........................251
    14.3. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом....................254
    14.4. Чугун с вермикулярным графитом...............................256
    14.5. Ковкий чугун.................................................257
    14.6. Чугуны со специальными свойствами............................258
       14.6.1. Антифрикционные чугуны................................. 258
       14.6.2. Износостойкие, жаростойкие и коррозионно-стойкие чугуны.259
    14.7. Термическая обработка чугунов...........................
    Вопросы для самоконтроля...........................................261

Глава 15. АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ........................................262

    15.1. Влияние примесей и легирующих элементов на структуру и свойства алюминиевых сплавов..........................................262
    15.2. Особенности структуры и свойств слитков и отливок............276
    15.3. Структура и свойства деформированных полуфабрикатов..........288
    15.4. Промышленные литейные алюминиевые сплавы.....................298
    15.5. Деформируемые алюминиевые сплавы.............................305
    Вопросы для самоконтроля.......................................... 312

Глава 16. МАГНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ..........................................313

    16.1. Общие особенности структуры и свойств магния и его сплавов...313
      16.1.1. Влияние примесей и легирующих элементов на структуру и свойства магниевых сплавов............................................... 313
       16.1.2. Термическая обработка магниевых сплавов.................318
      16.1.3. Закономерности структурных изменений при деформации магниевых сплавов................................................320
    16.2. Литейные магниевые сплавы....................................322
       16.2.1. Высокопрочные литейные магниевые сплавы.................323
       16.2.2. Жаропрочные литейные магниевые сплавы...................327
    16.3. Деформируемые магниевые сплавы...............................328
       16.3.1. Высокопрочные деформируемые магниевые сплавы............328
      16.3.2. Жаропрочные деформируемые магниевые сплавы, легированные РЗМ..............................................................331
      16.3.3. Ультралегкие деформируемые магниевые сплавы на базе системы Mg-Li............................................................331
       Вопросы для самоконтроля .......................................333

5

Глава 17. ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ.......................................334

    17.1. Общие особенности структуры и свойств титана и его сплавов.335
       17.1.1. Влияние примесей и легирующих элементов на структуру и свойства титановых сплавов...........................................335
       17.1.2. Типичные структуры титановых сплавов..................340
       17.1.3. Влияние состава и температуры закалки на структуру и свойства титановых сплавов...........................................349
    17.2. Промышленные титановые сплавы..............................353
       17.2.1. Деформируемые а- и псевдо-а-сплавы....................355
       17.2.2. Деформируемые (а+в)-сплавы............................357
       17.2.3. Деформируемые псевдо-в и в-сплавы.....................360
       17.2.4. Литейные титановые сплавы.............................362
    Вопросы для самоконтроля ........................................362

Глава 18. МЕДЬ И СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ МЕДИ...............................364

    18.1 Сортамент и влияние примесей на свойства меди...............364
    18.2. Латуни.....................................................368
       18.2.1. Латуни, обрабатываемые давлением......................369
       18.2.2. Литейные латуни.......................................373
    18.3. Бронзы.................................................... 374
       18.3.1. Оловянные бронзы......................................375
       18.3.2. Безоловянные бронзы...................................377
    18.4. Медно-никелевые сплавы.....................................380
    18.5. Теплопроводные и жаропрочные сплавы меди...................382
    Вопросы для самоконтроля ........................................387

Глава 19. НИКЕЛЬ И НИКЕЛЕВЫЕ СПЛАВЫ..................................389

    19.1. Свойства никеля............................................389
    19.2. Никелевые, конструкционные, электротехнические и сплавы с особыми физическими свойствами..............................391
    19.3. Жаропрочные никелевые сплавы (ЖНС).........................393
       19.3.1. Легирующие элементы в ЖНС.............................394
       19.3.2. Принципы легирования ЖНС..............................396
       19.3.3. Влияние легирования на фазовый состав и жаропрочность ЖНС.400
       19.3.4. Особенности технологии производства ЖНС...............404
       19.3.5. Промышленные ЖНС......................................406
    Вопросы для самоконтроля ........................................408

Глава 20. ТУГОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ...............................410

    20.1. Общие особенности структуры и свойств тугоплавких металлов с ОЦК решеткой................................................411


6

    20.2. Промышленные сплавы тугоплавких металлов...................427
       20.2.1. Вольфрам и его сплавы..............................427
       20.2.2. Молибден и его сплавы..............................430
       20.2.3. Ниобиевые сплавы...................................432
       20.2.4. Тантал и его сплавы................................434
    Вопросы для самоконтроля ........................................435

Глава 21. ЛЕГКОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ........................437

    21.1 . Цинк и цинковые сплавы.................................437
    21.2 Свинец, олово и их сплавы................................442
    Вопросы для самоконтроля .....................................452

Глава 22. ДРАГОЦЕННЫЕ МЕТАЛЛЫ.....................................453

    22.1. Золото и сплавы на его основе...........................453
       22.1.1. Чистое золото......................................453
       22.1.2. Фазовые диаграммы и свойства сплавов на основе золота.455
    22.2. Серебро и его сплавы....................................463
       22.2.1. Фазовые диаграммы и свойства серебра и его сплавов.463
    22.3. Платина и ее сплавы.....................................468
    Вопросы для самоконтроля .....................................469

Глава 23. РАДИОАКТИВНЫЕ МЕТАЛЛЫ...................................471

    23.1. Радиоактивный распад и цепная ядерная реакция...........471
    23.2. Уран и его сплавы.......................................478
    23.3. Плутоний и его сплавы...................................487
    23.4. Торий и его сплавы......................................491
    Вопросы для самоконтроля .....................................493

Глава 24. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ................................495

    24.1. Проблемы и перспективы разработки высокопрочных и жаропрочных конструкционных материалов....................................495
    24.2. Структурные основы расчета прочности КМ.................501
       24.2.1. Расчет прочности КМ с непрерывными волокнами.......501
       24.2.2. Структурные основы расчета прочности КМ с дискретными волокнами..................................................506
    24.3. Влияние различных факторов на прочность волокнистых КМ..508
       24.3.1. Укладка волокон и их объемная доля.................508
       24.3.2. Влияние ориентации волокон на прочность КМ.........510
       24.3.3. Влияние остаточных напряжений на прочность КМ......510
      24.3.4. Влияние состояния границ раздела волокно-матрица на прочность КМ.............................................511
       24.3.5. Эффективность волокнистых КМ.......................512


7

    24.4. Методы получения упрочняющих волокон и технологические приемы изготовления волокнистых КМ................................. 514
      24.4.1. Методы получения упрочняющих волокон...............514
      24.4.2. Технологические процессы получения КМ..............517
    24.5. Дисперсно-упрочненные КМ...............................519
    Вопросы для самоконтроля ....................................524

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.........................................525

            ПРЕДИСЛОВИЕ



   Курс «Металловедение» под разными названиями изучается студентами вузов всех профилей и специальностей по направлениям «Металлургия» и «Материаловедение и технология 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 и специальности студенты будут изучать металловедение в разном объеме, с разным набором разделов, с разной 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 из 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 «Металловедение цветных металлов» 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.

9

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ. Т. 2

   Особенно широко известны и до сих пор используются многократно переиздававшиеся учебники профессора И.И. Новикова «Теория термической обработки металлов», «Дефекты кристаллической решетки», «Металловедение, термообработка и рентгенография» (эта книга написана совместно с Г.Б. Строгановым и А.И. Новиковым).
   Авторы глав второго тома: 11 — И.И. Новиков (с сокращениями и небольшими изменениями В.С. Золоторевского); 12-14 - В.К. Портной; 15 - Н.А. Белов; 16 и 17 -А.А. Аксёнов, С.В. Медведева; 18 и 19 - В.К. Портной; 20 - В.С. Золоторевский; 21 -Н.А. Белов; 22 - Ю.В. Евсеев; 23 - В.С. Золоторевский; 24 - В.К. Портной.
   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 (УрФУ) во главе с проф. А.А. Поповым за рецензирование учебника и конструктивные замечания.
   Авторы выражают благодарность В.В. Чеверикину за помощь в подготовке рукописи к изданию.