Физико-химические основы технологических процессов и обработки конструкционных материалов

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ПРОИЗВОДСТВА И ОБРАБОТКИ 
КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Москва
ИНФРА-М
2018

Учебное пособие

Второе издание, дополненное и исправленное

Р.Г. ТАЗЕТДИНОВ

Рекомендовано 
Научно-методическим советом по материаловедению
и технологии конструкционных материалов
Министерства образования и науки РФ в качестве
учебного пособия для студентов вузов, обучающихся
по машиностроительным специальностям

Тазетдинов Р.Г.
Физико-химические основы технологических процессов 
производства и обработки конструкционных материалов : 
учеб. пособие / Р.Г. Тазетдинов. — 2-е изд., доп. и испр. — 
М. : ИНФРАМ, 2018. — 400 с. — (Высшее образование: 
Бакалавриат). — www.dx.doi.org/10.12737/2146.

ISBN 978-5-16-008967-6 (print)
ISBN 978-5-16-100840-9 (online)
С единых позиций термодинамики в обобщенном виде описаны 
основные физико-химические процессы, происходящие в конструкционных материалах при различных технологических способах их получения и обработки. Представлены методы расчета этих процессов.
Пособие предназначено для студентов технических вузов. Оно 
может быть полезно также всем, кто стремится углубленно изучать 
технологию конструкционных материалов.

ББК 34.5я73

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра «Технология конструкционных материалов» Московского 
авиационного института (Национального исследовательского университета, МАИ) (зав. кафедрой канд. техн. наук, проф. 
Г.П. Фетисов);

д-р техн. наук, проф. Т.В. Истомина

Т12

УДК 621.9(075.8)
ББК 34.5я73
 
Т12

ISBN 978-5-16-008967-6 (print)
ISBN 978-5-16-100840-9 (online)
© Тазетдинов Р.Г., 2014

Оригинал-макет подготовлен в НИЦ ИНФРА-М

Подписано в печать 25.12.2013. 
Формат 60×90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton. 
Усл. печ. л. 25,0. 
ПТ20. 
ТК 445650-12431-251213

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru        http://www.infra-m.ru

ПРЕДИСЛОВИЕ

Технология в переводе с греческого («техно» — искусство, мастерство, 

умение и «логия» — наука, учение) означает науку об умениях. В словарях 
технологию определяют как научную дисциплину, выявляющую «физические, 
химические, механические и др. закономерности с целью определения и использования на практике наиболее эффективных и экономичных производственных процессов». Оба эти определения больше подчеркивают практическую сторону предмета, представляя технологию, и в частности технологию 
конструкционных материалов (ТКМ), в основном как процесс материального 
воплощения идей, замыслов человека. В технологических процессах обработки природных или уже ранее использованных человеком материалов эти 
материалы превращаются в нужные для человека предметы, изделия техники. 
Таким образом, в практическом отношении все технологические процессы 
объединяет цель — получение нужных для человека изделий. Однако не менее 
важно то, что объединяет все процессы в научном отношении. Так как способы производства и обработки материалов столь различны и многообразны, 
трудно сразу усмотреть какой-либо объединяющий их научный стержень. 
Наука ли технология материалов или механическое объединение различных 
способов их обработки, не имеющих общей научной теории?

В учебниках и монографиях по ТКМ нет полного ответа на этот вопрос. 

В них процессы ТКМ объединены в разделы: металлургия, литейное производство, обработка давлением, сварка, пайка, обработка резанием и т.д. Процессы внутри разделов авторы излагают с достаточно общих научных позиций. В то же время более или менее четкой научной связи между разделами ТКМ в них не прослеживается.

Однако если представить ТКМ как единую науку, то необходимо знать 

ее научную базу и общие для всех способов научные понятия. Очевидно, что 
такой общей научной базой не могут быть прикладные науки: материаловедение, сопротивление материалов, теплопередача и др., так как, хотя они 
являются базой для ТКМ, каждая из них затрагивает только отдельные вопросы данного предмета.

Логично ответ на поставленный вопрос искать в фундаментальных на
уках: физике, химии, физической химии. Достаточно провести беглый 
анализ всех основных способов получения и обработки конструкционных 
материалов — металлов, керамики, пластмасс и т.п., чтобы увидеть, что они 
базируются на одних и тех же или однотипных физических и химических 
явлениях и процессах. Например, однотипные или одинаковые химические 
реакции протекают при получении металлов, литье, сварке и т.п. Процессы 
упругопластической деформации одни и те же для обработки давлением, 
резанием, литья, сварки, пайки и др. Процессы образования новых фаз, 
тепломассообмен, адгезионные явления и др. протекают при использовании 
практически всех технологических способов. Это говорит о том, что все 
процессы ТКМ не только объединены общей практической целью, 
но и в теоретическом отношении связаны настолько тесно, что можно с уверенностью говорить о ТКМ как о единой прикладной науке, основанной 

непосредственно на физике, химии, физической химии. Предметом настоящего учебного пособия является изучение тех общих физико-химических1

закономерностей, которые одновременно присущи всем или многим технологическим процессам производства и обработки конструкционных материалов. Пособие написано на основе курса лекций по дисциплине «Физикохимические основы технологии конструкционных материалов», читаемых 
автором в течение 15 лет студентам Московского авиационного института. 
Первый вариант пособия под названием «Физико-химические основы технологии конструкционных материалов в производстве летательных аппаратов» был издан в 2004 г. в Издательстве МАИ. В настоящее издание внесены исправления и дополнения.

Это учебное пособие может служить теоретической основой для из
учения дисциплины «Технология конструкционных материалов». В 1-й главе 
формулируется физико-химическая общность всех процессов ТКМ как процессов преобразования (превращения) материи, причем эти превращения 
неравновесны и происходят в основном на уровне химической энергии. Они 
наиболее широко охватываются неравновесной термодинамикой, а в частности, когда достигается равновесие, — химической термодинамикой, или 
термостатикой.

В этой главе формулируется также понятие обобщенной термодинами
ческой системы технологического процесса обработки материала и определяются термодинамические критерии равновесия и направленности технологических процессов.

Главы со 2-й по 11-ю являются основой курса лекций по данной дисци
плине и посвящены теоретическому изучению основных физико-химических процессов, составляющих, так сказать, научный каркас ТКМ.

К ним относятся:

•
металлургические процессы;

•
гидродинамика и энергомассообмен;

•
электрохимические процессы;

•
процессы затвердевания металлов и сплавов;

•
усадочные явления;

•
адгезионные процессы;

•
физико-химические процессы при газотермическом нанесении покрытий из микрочастиц;

•
упругопластическая деформация;

•
процессы спекания порошковых изделий;

•
процессы механического разрушения материалов.
Автор выражает свою глубокую благодарность заведующему кафедрой 

«Технология конструкционных материалов» МАИ профессору Г.П. Фетисову, 
за поддержку и помощь в издании этого учебного пособия, а также рецензентам за ценные замечания.

1
Здесь и в дальнейшем названием «физико-химические» для краткости обозначены все виды процессов и явлений — физических, химических, физикохимических (т.е. относящихся непосредственно к физической химии), — 
происходящих при производстве и обработке конструкционных материалов.

Глава 1 

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ОБЩНОСТЬ 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 

ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. ОБОБЩЕННАЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛА

Во всех технологических процессах, где участвуют материальные 

объекты, происходят преобразования, или превращения, материи, 
точнее материалов, посредством того или иного внешнего энергетического воздействия. Применительно к ТКМ это приводит к тому, 
что материалы из сырья или отходов в конечном счете преобразуются 
в детали, узлы, механизмы или другие устройства.

Практически все процессы в ТКМ происходят на уровне хими
ческих. Процессы в атомном ядре, слабые взаимодействия на уровне 
микрочастиц, оптические и др. явления для ТКМ играют второстепенную роль. Под химическими превращениями подразумеваются 
не только химические реакции, но и все процессы, где имеют место 
коллективные межатомные или межмолекулярные взаимодействия 
с участием внешних электронных оболочек атомов, такие как фазовые переходы (плавление, кипение, кристаллизация, конденсация, растворение, осаждение, аллотропические превращения 
и др.), диффузия, конвекция, структурные превращения, деформация, разрушение твердых тел, т.е. все явления, которые объединяет то, что они происходят с изменением химических потенциалов 
веществ. Учитывая неравновесность процессов, изучаемых в ТКМ, 
их следует отнести к неравновесной термодинамике. Для практики 
достаточно полно рассмотреть эти процессы можно и не применяя 
слишком сложный математический аппарат этого раздела физики, 
а ограничившись для изучения направлений процессов и изменений 
состояний веществ химической термодинамикой. Проблему скоростей можно решать, используя другой раздел физической химии — 
кинетику.

Термодинамика имеет дело с термодинамическими системами. 

Поэтому следует вначале выяснить, что входит в состав термодинамических систем процессов, происходящих в ТКМ, и можно ли их 
представить в обобщенном, универсальном виде. Для этого рассмотрим несколько примеров.

1. Выплавка стали в дуговой электрической печи (рис. 1.1). В печь 

1, футерованную изнутри огнеупорным материалом, загружается 
шихта, состоящая из кусков лома, железной руды, флюса. Между 
угольными электродами 2 и шихтой горит электрическая дуга 3, питаемая от внешнего источника электрической энергии 6. Дуга плавит 
шихту, и последняя расслаивается. Шлак 4, как более легкое вещество, чем металл 5, всплывает наверх, покрывая собой металл. Происходят химические реакции между металлом, примесями в металле 
(С, Si, Мn, S, Р и др.) и компонентами шлака и, частично, воздуха, 
в результате чего металл очищается от примесей, а шлак обогащается 
ими. Газообразные продукты (СО, СО2, SО2, Н2О и др.) улетучиваются из печи. Так получается электросталь.

В металлургическом процессе участвует, если рассматривать 

только стадию плавки, во-первых, среда, из которой производится 
конструкционный материал, т.е. железо с примесями, во-вторых, 
обрабатывающая, или рабочая, среда, под которой понимается вещество (твердый инструмент, жидкая, газообразная среда, плазма 
и т.п.), оказывающее непосредственное энергетическое или химическое воздействие на материал в направлении его обработки (рабочее воздействие). В данном случае это электрическая дуга 
(плазма), флюс (шлак) и кислород или воздух при окислительной 
плавке. Сама печь со всеми системами питания, регулирования, измерения, электродами и т.п. является оборудованием, т.е. устройством, обеспечивающим рабочую среду энергией для проведения 
процесса. В системе можно выявить также приспособления, под ко
6

1

2

3

4

5

Рис. 1.1

торыми понимаются элементы или устройства, оказывающие на материал вспомогательное, побочное воздействие (фиксация, прижим, 
подача, размещение и т.п.). Например, под и стенки печи можно 
одновременно отнести и к приспособлению, так как они обеспечивают размещение металла и шлака и теплоизоляцию их от окружающей среды. Наконец, в процессе участвует также внешняя среда, 
которая может оказать на материал как положительное, так и отрицательное воздействие. Назовем ее активной внешней средой. Например, воздушная атмосфера в случае восстановительной плавки 
и в процессе раскисления действует негативно. Материалы электродов, футеровки печей могут воздействовать как позитивно, так 
и негативно, в зависимости от стадий процесса, состава шихты, 
самих этих материалов и т.п. Все указанные составляющие технологического процесса участвуют во взаимном теплообмене, химических реакциях, следовательно, являются компонентами термодинамической системы. В эту систему вводится внешняя электрическая 
энергия, а от нее отводится тепло и вещество, она сообщается с атмосферным воздухом. Таким образом, система является термодинамически открытой.

2. Листовая вытяжка без утонения стенок заготовки (рис. 1.2). 

В этом процессе из листовых металлических заготовок получают 
полые пространственные изделия. На отверстие матрицы 4 накладывают лист и пуансоном 2 под действием внешнего усилия Р, создаваемого прессом 1, продавливают лист в матрицу. Заготовка пластически деформируется и превращается в полое изделие 5 цилиндрического или другого сечения. Толщина листа при зазоре между 
пуансоном и матрицей, равном ей, практически не изменяется. Для 
исключения образования складок во фланцевой части заготовки под 
действием окружных сжимающих напряжений при уменьшении диаметра применяют прижим 3 с усилием Q. Для уменьшения трения 
фланцевый и цилиндрический участки поверхности заготовки смазывают. Таким образом, в процессе вытяжки участвуют: материал 

Q

P

Q

1
2

3

4
5

Рис. 1.2

(заготовка); рабочая среда, или инструмент — штамп, основными 
частями которого является пуансон и матрица; оборудование — 
пресс; приспособление — прижим; активная внешняя среда — 
смазка и атмосферный воздух, вызывающий окисление металла. Все 
перечисленные элементы участвуют в обмене энергией между собой, 
с источником внешней энергии и окружающей средой, следовательно, составляют термодинамическую систему. Участие в процессе 
механической работы (движение пуансона, частей заготовки друг 
относительно друга) не должно вызывать сомнения в целесообразности термодинамического рассмотрения системы, так как работа 
является функцией процесса, а не состояния. Термодинамика (термостатика) же оперирует только состояниями. До начала и после 
вытяжки система покоится. Поэтому по термодинамическим параметрам в начальном и конечном состояниях можно судить о возможности данного процесса. Сказанное относится ко всем процессам 
механической обработки материалов: давлением, резанием. Очевидно также, что термодинамическая система данного процесса является открытой.

3. Ручная дуговая сварка (рис. 1.3). Между электродом 1 в элект
рододержателе 2 и свариваемыми деталями 8, зажатыми в приспособлении 9, горит электрическая дуга 5, питаемая от источника 4. На 
электрод, химический состав которого близок к составу свариваемого металла, нанесено покрытие 3, которое защищает электрод от 
окисления. Электрод, кромки основного (свариваемого) металла 

11

10

1

2

3

4

5

6
7
8

9

Рис. 1.3

и покрытие плавятся от тепла дуги, образуя общую сварочную ванну 
7, на поверхность которой всплывает жидкий шлак 6, защищающий 
металл от воздуха. Шлак дополнительно очищает металл от вредных 
примесей (О2, N2, Н2, S, Р и др.). По мере движения электрода вдоль 
стыка деталей металл и шлак затвердевают. В результате образуется 
сварной шов 10, покрытый шлаковой коркой 11.

Термодинамическую систему здесь составляют такие же эле
менты, что и в предыдущих случаях: свариваемые детали, включая 
также шов — материал; дуга — рабочая среда; источник питания с токоподводящими проводами и электрод — оборудование; электрододержатель, зажимное устройство — приспособление; внешняя воздушная атмосфера — активная внешняя среда. Термодинамическая 
система здесь также открытая.

Таким образом, какие бы процессы получения и обработки мате
риалов мы ни взяли и какими бы различными они ни были, между 
ними есть следующие общие признаки:

1. Во всех процессах происходит необратимое преобразование 

энергии высшего вида (электрической, механической, световой, химической) в энергию низшего вида, выделяемую в форме тепла.

2. Происходят превращения материала: изменяется его состав, 

структура, фазовое состояние, форма и т.п.

3. Термодинамические системы в ТКМ являются открытыми си
стемами, так как они обмениваются энергией и веществом с окружающим пространством.

4. Состав термодинамической системы имеет универсальный ха
рактер. В общем случае она состоит из обрабатываемого материала 
(конструкционного материала или веществ, из которых он получается), рабочей среды (в частном случае инструмента), оборудования, 
приспособлений, активной внешней среды. В принципе такая система может быть применена к обработке любого материала, а не 
только конструкционного. Поэтому ее можно назвать обобщенной 
термодинамической системой (ОТС) технологического процесса обработки материала (рис. 1.4). 

Участие человека (людей) в технологическом процессе в термо
динамическом отношении не вносит дополнительные элементы в 
ОТС, так как оно всегда сводится к выполнению функций уже указанных элементов. Человек может выполнять функции: 1) рабочей 
среды (например, изготовление литейных моделей, ручное изготовление литейных форм и др.); 2) оборудования (например, орудование 
молотом при ручной ковке, ведение электрода вдоль стыка свариваемых деталей при ручной дуговой сварке и т.п.); 3) приспосбления 

(например, фиксация рукой заготовки при ручной пайке); 4) активной внешней среды (например, выдыхаемый человеком воздух 
может повлиять на качество изделия при прецезионной обработке). 
Единственный элемент ОТС, чьи функции не может выполнять человек, — это сам обрабатываемый материал.

В дальнейшем ввиду ограниченного объема учебного пособия 

будут проанализированы подробно процессы, происходящие в одном 
элементе ОТС — материале. Термодинамические явления и процессы, наблюдаемые в других элементах системы, такие, как износ, 
коррозия инструмента, оборудования, приспособлений, пригар, газообмен в материалах литейных форм, изложниц, футеровке печей 
и др., можно отнести к побочным, незначительно влияющим на процесс обработки материала. За редким исключением в данном пособии они не рассматриваются. Энергетическое и химическое 
влияние других компонентов ОТС на материал учитывается путем 
задания начальных и граничных условий (распределение температуры, теплового потока, давления, состава веществ и др.) на поверхности обрабатываемого материала.

1.2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ РАВНОВЕСИЯ
И НАПРАВЛЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

Ввиду открытости термодинамической системы технологического 

процесса обработки материала энтропия не может служить термодинамическим критерием равновесия и самопроизвольности, т.е. возможности его осуществления. Такими универсальными критериями, 
не зависящими от степени замкнутости системы, являются ее термодинамические потенциалы: внутренняя энергия U, энтальпия Н, 
изохорно-изотермический потенциал, или энергия Гельмгольца (свободная энергия) F, изобарно-изотермический потенциал, или 
энергия Гиббса (свободная энтальпия) G. С помощью термодинами
Рабочая среда

Материал
Оборудование
Приспособления

Активная

внешняя среда

Рис. 1.4