Материаловедение и технология материалов

À.Ì. Àäàñêèí, Â.Ì. Çóåâ

ÌÀÒÅÐÈÀËÎÂÅÄÅÍÈÅ
È ÒÅÕÍÎËÎÃÈß ÌÀÒÅÐÈÀËÎÂ

2-å èçäàíèå

Ðåêîìåíäîâàâíî Ó÷åáíî-ìåòîäè÷åññêèì ñîâåòîì Ó÷åáíî-ìåòîäè÷åñêîãî öåíòðà
ïî ïðîôåññèîíàëüíîìó îáðàçîâàâíèþ Äåïàðòàìåíòà îáðàçîâàâàíèÿ ãîðîäà Ìîñêâû
â êà÷åñòâå ó÷åáíîãî ïîñîáèÿ äëÿ ñòóäåíòîâ îáðàçîâàòåëüíûõ ó÷ðåæäåíèé
ñðåäíåãî ïðîôåññèîíàëüíîãî îáðàçîâàíèÿ

2021

ÓÄÊ 620.2(075.32)
ÁÁÊ 30.3ÿ723

À31

Ðåöåíçåíòû:

äîêòîð õèìè÷åñêèõ íàóê, ïðîôåññîð êàôåäðû «Ìåòàëëîâåäåíèå

è òåðìîîáðàáîòêà» ÃÒÓ ÌÀÄÈ Ä.Ï. Øàøêîâ;

äîêòîð ïåäàãîãè÷åñêèõ íàóê, ïðîôåññîð, çàìåñòèòåëü äèðåêòîðà

Ó÷åáíî-ìåòîäè÷åñêîãî öåíòðà ïî ïðîôåññèîíàëüíîìó îáðàçîâàíèþ

ãîðîäà Ìîñêâû ïî íàó÷íî-ìåòîäè÷åñêîé ðàáîòå Í.Â. Êèñåëåâ;

äîêòîð òåõíè÷åñêèõ íàóê, ïðîôåññîð, çàâåäóþùèé êàôåäðîé «Òåõíîëîãèÿ

êîíñòðóêöèîííûõ ìàòåðèàëîâ» ÌÃÒÓ «ÌÀÌÈ» Â.Í. Àðçàìàñîâ

Àäàñêèí À.Ì.

À31
Ìàòåðèàëîâåäåíèå
è
òåõíîëîãèÿ
ìàòåðèàëîâ
:
ó÷åáíîå
ïîñîáèå
/

À.Ì. Àäàñêèí, Â.Ì. Çóåâ. — 2-å èçäàíèå. — Ì. : ÔÎÐÓÌ : ÈÍÔÐÀ-Ì,
2021. — 336 ñ. — (Ïðîôåññèîíàëüíîå îáðàçîâàíèå).

ISBN 978-5-91134-754-3 (ÔÎÐÓÌ)
ISBN 978-5-16-006739-1 (ÈÍÔÐÀ-Ì)

Ðàññìîòðåíî ñòðîåíèå ìåòàëëè÷åñêèõ, íåìåòàëëè÷åñêèõ è êîìïîçèöèîííûõ

ìàòåðèàëîâ, òåõíîëîãèè èõ ïðîèçâîäñòâà. Äàíû ìåòîäû èçó÷åíèÿ ñâîéñòâ ìàòåðèàëîâ, ìåòîäû è òåõíîëîãèè èçìåíåíèÿ ñâîéñòâ çà ñ÷åò òåðìè÷åñêîé, õèìèêî-òåðìè÷åñêîé îáðàáîòêè, ïëàñòè÷åñêîãî äåôîðìèðîâàíèÿ. Ïðèâåäåíû ðàçëè÷íûå òåõíîëîãèè ïîëó÷åíèÿ çàãîòîâîê è äåòàëåé — ëèòüå, ñâàðêà, îáðàáîòêà äàâëåíèåì, ðåçàíèå. Ðàññìîòðåíû îñíîâû òåõíîëîãèè íàíåñåíèÿ ãàëüâàíè÷åñêèõ
ïîêðûòèé, à òàêæå òåõíîëîãèè èçãîòîâëåíèÿ äåòàëåé èç íåìåòàëëè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ — ïëàñòè÷åñêèõ ìàññ è ðåçèí.

Äëÿ ñòóäåíòîâ ïðîôåññèîíàëüíîãî îáðàçîâàíèÿ. Ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàíî

ïðè ïîäãîòîâêå áàêàëàâðîâ, à òàêæå äëÿ íà÷àëüíîãî ïðîôåññèîíàëüíîãî îáðàçîâàíèÿ è ïîâûøåíèÿ êâàëèôèêàöèè, ðàáî÷èõ è ìàñòåðîâ.

ÓÄÊ 620.2(075.32)
ÁÁÊ 30.3ÿ723

ISBN 978-5-91134-754-3 (ÔÎÐÓÌ)
ISBN 978-5-16-006739-1 (ÈÍÔÐÀ-Ì)

© Àäàñêèí À.Ì., Çóåâ Â.Ì., 2009, 2013
© Èçäàòåëüñòâî «ÔÎÐÓÌ», 2009, 2013

Оглавление

Оглавление ............................................................................................................................3
Введение ...............................................................................................................................9

Часть I. СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЯ ИХ ПРОИЗВОДСТВА

Глава 1. ТИПЫ МЕЖАТОМНЫХ СВЯЗЕЙ И ИХ ВЛИЯНИЕ 
НА СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ. СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ ..................................11
1.1. Типы межатомных связей .....................................................................................11
1.2. Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов ...................................13
1.2.1. Идеальное строение металлов .....................................................................13
1.2.2. Полиморфные превращения в металлах ....................................................15
1.2.3. Строение реальных металлов ......................................................................16
1.3. Молекулярное строение полимеров ....................................................................18
1.4. Строение композиционных материалов ..............................................................19

Глава 2. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА 
МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ...............................................................................................21
2.1. Основы металлургического производства ..........................................................21
2.1.1. Материалы металлургического процесса ...................................................21
2.1.2. Технологии обогащения руд ........................................................................23
2.2. Получение слитков металлов и сплавов. Строение слитка ...............................24
2.2.1. Первичная кристаллизация (затвердевание) ..............................................24
2.2.2. Строение слитка ............................................................................................27
2.3. Обработка давлением в металлургическом производстве.................................28
2.3.1. Прокатка ........................................................................................................28
2.3.2. Прессование ..................................................................................................32
2.3.3. Волочение ......................................................................................................33

Глава 3.  ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ ...................................................................35
3.1. Получение порошков и приготовление смесей ..................................................35
3.2. Формование заготовок ..........................................................................................36
3.3. Спекание .................................................................................................................38
3.4. Особенности обработки спеченных заготовок ...................................................39

Глава 4.  ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ — ЧУГУНА И СТАЛИ .............40
4.1. Производство чугуна.............................................................................................40
4.1.1. Подготовка шихты ........................................................................................40
4.1.2. Выплавка чугуна ..........................................................................................................40
4.1.3. Продукция доменного производства ..........................................................44
4.2. Производство стали ...............................................................................................45
4.3. Разливка стали .......................................................................................................51
4.4. Технология производства сталей и сплавов особо высокого качества ............53

Оглавление

Глава 5.  ПРОИЗВОДСТВО ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ ...................................................57
5.1. Производство меди ................................................................................................57
5.2. Производство алюминия .......................................................................................61
5.3. Производство титана .............................................................................................63

Глава 6.  ПРОИЗВОДСТВО ПОЛИМЕРОВ ....................................................................65
6.1. Полимеризация полимеров ...................................................................................65
6.2. Поликонденсация полимеров ...............................................................................67
6.3. Технология синтеза полимеров ............................................................................68

Глава 7.  ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ
 МАТЕРИАЛОВ .................................................................................................................70
7.1. Производство упрочняющих компонентов .........................................................70
7.2. Производство композитов ....................................................................................72

Часть II. ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Глава 8.  МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ 
И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ...................................................................................76
8.1. Определение механических свойств металлов и сплавов .................................76
8.1.1. Определение предела прочности, предела текучести, 
относительного удлинения и сужения ..................................................................76
8.1.2. Определение твердости ................................................................................77
8.1.3. Испытания на усталость ..............................................................................80
8.1.4. Испытания на ползучесть ............................................................................81
8.1.5. Определение ударной вязкости и порога хладноломкости .......................82
8.1.6. Трещиностойкость ........................................................................................83
8.1.7. Испытания на износостойкость ..................................................................84
8.2. Определение механических свойств пластических масс 
и композиционных материалов ...................................................................................86

Глава 9.  ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ .......................................................................90
9.1. Общие сведения (терминология) .........................................................................90
9.2. Типы сплавов. Диаграммы состояния .................................................................91
9.2.1. Типы сплавов ................................................................................................91
9.2.2. Диаграммы состояния сплавов ....................................................................93
9.3. Диаграммы состояния сплавов, упрочняемых термической обработкой ......100

Глава 10.  ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО — ЦЕМЕНТИТ. 
СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА И УГЛЕРОДА ................................................................................102
10.1. Диаграмма состояния Fe — Fe3C .....................................................................102
10.2. Структура сплавов системы Fe — Fe3C ..........................................................105

Глава 11.  ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ..................................................107
11.1. Виды термической обработки ..........................................................................107
11.2. Превращения в сталях при нагреве .................................................................107

Оглавление

11.3. Превращения сталей при охлаждении. Диаграмма изотермического 
превращения аустенита ..............................................................................................109
11.4. Технология объемной термической обработки ..............................................113
11.4.1. Отжиг и нормализация .............................................................................113
11.4.2. Закалка .......................................................................................................115
11.4.3. Отпуск и старение.....................................................................................117
11.5. Поверхностное упрочнение ..............................................................................119
11.5.1. Химико-термическая обработка ..............................................................120
11.5.2. Поверхностная закалка .............................................................................125
11.6. Среды для нагрева и охлаждения при термической обработке ....................128
11.6.1. Нагревающие среды .................................................................................128
11.6.2. Охлаждающие среды ................................................................................129

Глава 12.  СТАЛИ .............................................................................................................131
12.1. Примеси сталей и их влияние на свойства .....................................................131
12.2. Классификация сталей по качеству .................................................................132
12.3. Маркировка сталей ............................................................................................132
12.4. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей ...............134
12.5. Стали общетехнического назначения ..............................................................138

Глава 13.  ЧУГУНЫ .........................................................................................................143
13.1. Классификация чугунов ....................................................................................143
13.2. Белые и отбеленные чугуны .............................................................................143
13.3. Чугуны с графитом ............................................................................................144
13.4. Термическая обработка чугуна ........................................................................148

Глава 14.  МАТЕРИАЛЫ СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ ..........................151
14.1. Стали, устойчивые против коррозии ...............................................................151
14.2. Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы ................................................154
14.3. Стали и сплавы с особыми магнитными свойствами ....................................155
14.4. Материалы с особыми электрическими свойствами .....................................157
14.5. Сплавы с особыми упругими свойствами .......................................................158
14.6. Износостойкие стали ........................................................................................159
14.7. Высокопрочные стали .......................................................................................159
14.8. Сплавы с «памятью» .........................................................................................160

Глава 15.  ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ ............................................................162
15.1. Медь и сплавы на ее основе .............................................................................162
15.2. Алюминий и сплавы на его основе ..................................................................164
15.3. Титан и сплавы на его основе ..........................................................................166
15.4. Баббиты ..............................................................................................................167

Глава 16.  ПОЛИМЕРЫ И ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ ..............................................169
16.1. Температурные зависимости свойств полимеров ..........................................169
16.2. Пластические массы..........................................................................................173
16.2.1. Состав и классификация пластических масс .........................................173

Оглавление

16.2.2. Термопластичные пластмассы.................................................................174
16.2.3. Термореактивные пластмассы .................................................................175
16.2.4. Газонаполненные пластмассы .................................................................177
16.3. Эластомеры (каучуки), резины.........................................................................178
16.4. Пленкообразующие материалы, клеи, герметики, лаки, краски ...................179
16.5. Область рационального применения пластмасс.............................................182

Глава 17.  КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ........................................................184
17.1. Дисперсно-упрочненные композиты ...............................................................184
17.2. Волокнистые композиционные материалы .....................................................185
17.2.1. Характер разрушения и прочностные характеристики 
композитов .............................................................................................................186
17.2.2. Материалы матриц волокнистых композитов ........................................188
17.2.3. Армирующие компоненты композиционных материалов ....................189
17.3. Область рационального применения композиционных материалов ............190

Часть III.  ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК И ДЕТАЛЕЙ

Глава 18.  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ............194
18.1. Технологические требования к материалам 
для литья (литейным сплавам) ..................................................................................195
18.2. Обрабатываемость материалов давлением. 
Холодная и горячая обработка давлением ...............................................................196
18.3. Свариваемость металлов ..................................................................................201
18.4. Обрабатываемость резанием ............................................................................204

Глава 19.  ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО ....................................................................206
19.1. Основы литья .....................................................................................................206
19.2. Литье в одноразовые формы ............................................................................206
19.2.1. Литье в песчаные формы .........................................................................206
19.2.2. Литье по выплавляемым моделям ...........................................................213
19.2.3. Литье в оболочковые формы ...................................................................215
19.3. Литье в многоразовые формы ..........................................................................217
19.3.1. Литье в кокиль ..........................................................................................218
19.3.2. Литье под давлением ................................................................................219
19.3.3. Центробежное литье .................................................................................221
19.4. Электрошлаковое литье ....................................................................................222
19.5. Оборудование литейных производств .............................................................223

Глава 20.  ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ .........................................................................225
20.1. Основы обработки давлением ..........................................................................225
20.2. Горячая обработка давлением ..........................................................................226
20.2.1. Нагрев заготовок .......................................................................................226
20.2.2. Ковка ..........................................................................................................228
20.2.3. Штамповка ................................................................................................229
20.3. Холодная обработка давлением .......................................................................235

Оглавление

20.3.1. Листовая штамповка .................................................................................235
20.3.2. Объемная штамповка ...............................................................................237
20.4. Материалы для штампового инструмента ......................................................239
20.5. Оборудование для обработки давлением ........................................................242

Глава 21.  СВАРКА ..........................................................................................................244
21.1. Классификация видов сварки ...........................................................................244
21.2. Сварка плавлением ............................................................................................244
21.2.1. Структура сварного соединения при сварке плавлением. 
Термическая обработка сварных заготовок ........................................................245
21.2.2. Электродуговая сварка .............................................................................246
21.2.3. Электрошлаковая сварка ..........................................................................249
21.2.4. Газовая сварка ...........................................................................................250
21.2.5. Сведения об электронно-лучевом, ионно-лучевом 
и лазерном нагреве для сварки ............................................................................251
21.3. Термомеханические и механические методы сварки .....................................252
21.4. Резка металлов ...................................................................................................255

Глава 22.  ПАЙКА И СКЛЕИВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ ................................................258
22.1. Пайка металлов ..................................................................................................258
22.1.1. Технология пайки .....................................................................................258
22.1.2. Обработка деталей после пайки ..............................................................262
22.2. Склеивание материалов ....................................................................................263

Глава 23.  ОБРАБОТКА РЕЗАНИЕМ .............................................................................266
23.1. Особенности обработки резанием ...................................................................266
23.2. Основы обработки резанием ............................................................................266
23.2.1. Геометрические параметры режущего инструмента .............................266
23.2.2. Режимы резания ........................................................................................270
23.2.3. Процесс резания .......................................................................................272
23.3. Оценка точности обработки и качества поверхности ....................................276
23.3.1. Точность размеров и формы ....................................................................276
23.3.2. Оценка качества поверхности .................................................................282
23.4. Инструментальные материалы .........................................................................285
23.4.1. Материалы для лезвийного инструмента ...............................................285
23.4.2. Материалы абразивных инструментов ...................................................293
23.5. Технология обработки на металлорежущих станках .....................................295
23.5.1. Технология лезвийной обработки ...........................................................295
23.5.2. Абразивная обработка ..............................................................................304
23.6. Металлорежущие станки ..................................................................................308

Глава 24.  ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ 
МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ................................................................................................311
24.1. Электроэрозионная обработка .........................................................................311
24.2. Электрохимическая обработка .........................................................................313
24.3. Анодно-механическая обработка .....................................................................314

Оглавление

24.4. Ультразвуковая обработка.................................................................................315
24.5. Лучевая обработка .............................................................................................316
24.6. Плазменная обработка ......................................................................................317

Глава 25.  ТЕХНОЛОГИЯ НАНЕСЕНИЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ ........318
25.1. Физико-химические основы нанесения гальванических покрытий ............318
25.2. Подготовка поверхностей под покрытие ........................................................318
25.2.1. Требования к поверхностям .....................................................................318
25.2.2. Технология подготовки поверхности ......................................................319
25.3. Технология нанесения покрытий .....................................................................320
25.3.1. Влияние технологии нанесения покрытий 
на качество поверхности ......................................................................................320
25.3.2. Гальванические покрытия. Свойства. Область применения ................322

Глава 26.  ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПЛАСТИЧЕСКИХ МАСС 
И РЕЗИНЫ ........................................................................................................................327
26.1. Особенности изготовления деталей из пластических масс и резины ..........327
26.2. Технология изготовления изделий из пластических масс .............................327
26.3. Технология изготовления изделий из резины .................................................331
26.4. Штамповка и обработка резанием пластмасс и резины ................................332

Список литературы ..........................................................................................................334

Введение

История цивилизации связана с материалами. Материалы дали названия 
целым историческим эпохам — каменный век, бронзовый век, железный век.
На самых ранних этапах развития человечества рождались металлургические технологии. Сначала использовали металлы, встречающиеся в природе 
в самородном виде, — медь. В IV в. до н. э. уже использовали сплавы меди с 
другими металлами — бронзы, т. е. уже была создана технология металлургического производства.
Наряду с получением различных материалов важнейшими этапами истории человечества является развитие технологий их обработки, т. е. получение из этих материалов изделий, необходимых для жизни. На ранних этапах 
изделия производились индивидуально, в рамках натурального хозяйства. 
Затем возникло разделение труда, появились ремесленники. Знания ремесла 
передавались от отца к сыну, от мастера к ученику и были недоступны для 
посторонних.
Переход от ремесленничества к промышленному производству был невозможен без создания научной базы — науки о материалах и методах их 
обработки.
Мощным побудительным мотивом развития материаловедения и технологии металлов как наук стала промышленная революция. В середине XIX в. 
был освоен мартеновский метод производства стали, а к концу века — конвертерный. Большие объемы выпускаемого металла потребовали развития науки 
о металлах — металловедения и разработки производительных технологий 
его переработки. В середине XIX в. работами Д. К. Чернова, П. П. Аносова, 
Н. Т. Гудцова, А. Мартенса, Р. Аустена были заложены основы современного 
металловедения. В это же время развивались и науки о переработке металлов.
Развитие материалов и технологий их обработки взаимосвязано. Часто научные достижения в одной из этих областей приводят к открытию новых возможностей в другой области.
Прогресс техники требовал повышения производительности обработки — 
развивались производительные методы обработки давлением, резанием, литейного производства. Это, в свою очередь, определило необходимость создания 
новых высокопроизводительных инструментальных материалов, работоспособных при высоких температурах.
Были созданы быстрорежущие стали, твердые сплавы, режущая керамика, 
материалы на основе алмаза и нитрида бора. Это позволило резко увеличить 

Введение

скорость резания и повысить производительность обработки. При этом, получение твердых сплавов и керамики стало возможным только в результате 
разработки порошковой технологии производства материалов. Производство 
синтетических алмазов и нитрида бора не могло быть реализовано без мощного технологического прорыва — создания технологий высокого давления.
Появление электрохимических и электрофизических технологий позволило выполнять обработку, т. е. изготавливать изделия из материалов, которые 
раньше обработать было невозможно, например, обработка непластичных материалов высокой твердости, даже алмаза.
Таким образом, материаловедение и технология обработки материалов являются приоритетными науками, определяющими уровень развития цивилизации.