Технологии материалов

     Рассмотрены строение и свойства металлов и металлических сплавов, основные виды промышленных сплавов, способы их получения и очистки. Представлены способы получения заготовок литьем и обработкой давлением, способы 
изготовления сварных соединений, а также механические, 
электрофизические и электрохимические способы обработки. Приведены краткие теоретические сведения об этих видах обработки и их материаловедческие аспекты. Изложены 
технологии обработки неметаллических материалов на полимерной основе.

Е. А. Астафьева, Ф. М. Носков, С. И. Почекутов
ТЕХНОЛОГИИ 
МАТЕРИАЛОВ

Учебное пособие

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Е. А. Астафьева, Ф. М. Носков, С. И. Почекутов
ТЕХНОЛОГИИ  МАТЕРИАЛОВ

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Е. А. Астафьева 
Ф. М. Носков 
С. И. Почекутов 
 
 
ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2019 

УДК 621.7/.9 
ББК 
34.5 
А910 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
В. А. Меновщиков, доктор технических наук, профессор Красноярского государственного аграрного университета;  
А. С. Тюриков, кандидат технических наук, доцент Красноярского 
института железнодорожного транспорта 
 
  
Астафьева, Е. А.  
А910 Технологии материалов : учеб. пособие / Е. А. Астафьева,  
Ф. М. Носков, С. И. Почекутов. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 
2019. – 224 с.  
 
ISBN 978-5-7638-4125-1 
 
Рассмотрены строение и свойства металлов и металлических сплавов, 
основные виды промышленных сплавов, способы их получения и очистки. 
Представлены способы получения заготовок литьем и обработкой давлением, способы изготовления сварных соединений, а также механические, электрофизические и электрохимические способы обработки. Приведены краткие 
теоретические сведения об этих видах обработки и их материаловедческие 
аспекты. Изложены технологии обработки неметаллических материалов на 
полимерной основе. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению бакалавриата 29.03.04 «Технологии художественной обработки материалов». 
 
 
 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
УДК 621.7/.9 
http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 34.5 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-4125-1 
 
         © Сибирский федеральный университет, 2019 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 
 
 
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................................... 6 

1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ..................................................... 7 

1.1. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ .......................................................... 7 
1.2. СВЕДЕНИЯ О СПЛАВАХ .............................................................................................. 8 
1.3. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ .................................................................................................... 10 
1.4. СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ........................................................................................ 13 
1.4.1. Механические свойства материалов ............................................................... 14 
1.5. ПРОМЫШЛЕННЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ ................................................... 19 
1.5.1. Сплавы на основе железа ................................................................................ 19 
1.5.2. Инструментальные материалы ........................................................................ 31 
1.5.3. Алюминиевые сплавы ....................................................................................... 33 
1.5.4. Медные сплавы ................................................................................................. 35 

2. МЕТАЛЛУРГИЯ СТАЛИ .................................................................................................... 36 

2.1. СПОСОБЫ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ ................................................................................. 36 
2.1.1. Производство стали в кислородных конверторах .......................................... 37 
2.1.2. Производство стали в электродуговых печах ................................................. 40 
2.2. МЕТОДЫ РАЗЛИВКИ СТАЛИ ..................................................................................... 43 
2.2.1. Разливка стали в изложницы ........................................................................... 44 
2.2.2. Непрерывная разливка стали .......................................................................... 46 
2.3. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА СТАЛИ ........................................................ 48 
2.3.1. Обработка стали синтетическим шлаком ........................................................ 48 
2.3.2. Вакуумирование стали ...................................................................................... 49 
2.3.3. Продувка стали инертным газом...................................................................... 51 
2.3.4. Переплавные процессы .................................................................................... 51 

3. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО ......................................................................................... 55 

3.1. СУЩНОСТЬ И ЗНАЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЛИТЬЯ .............. 55 
3.2. ТРЕБОВАНИЯ К ЛИТЕЙНЫМ СПЛАВАМ И ИХ СВОЙСТВА ................................... 56 
3.3. ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТЫЕ ЛИТЕЙНЫЕ ФОРМЫ ........................................................ 57 
3.3.1. Формовочные и стержневые смеси ................................................................. 58 
3.3.2. Изготовление песчано-глинистых форм ......................................................... 59 
3.3.3. Ручная и машинная формовки ......................................................................... 64 
3.4. ПЛАВКА ЛИТЕЙНЫХ СПЛАВОВ. СБОРКА И ЗАЛИВКА ФОРМ .............................. 69 
3.5. СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ ЛИТЬЯ ......................................................................... 71 
3.5.1. Литье в оболочковые формы ........................................................................... 71 
3.5.2. Литье по выплавляемым моделям .................................................................. 73 
3.5.3. Литье в кокиль .................................................................................................... 75 

– 3 – 

 

3.5.4. Литье под давлением ........................................................................................ 78 
3.5.5. Центробежное литье ......................................................................................... 82 
3.6. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ДЕФЕКТОВ ОТЛИВОК   
И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ОТЛИВОК ................................................................................ 84 

4. ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ  ДАВЛЕНИЕМ ..................................................... 87 

4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ .................................................................................................... 87 
4.2. ПОЛУЧЕНИЕ ЛИСТОВОГО МЕТАЛЛА, ТРУБ И ПРОФИЛЕЙ   
ОБЩЕГО И СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ................................................................. 91 
4.2.1. Прокатка ............................................................................................................. 91 
4.2.2. Прессование и волочение ................................................................................ 96 
4.3. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ....................................... 97 
4.3.1. Ковка ................................................................................................................... 97 
4.3.2. Объемная штамповка ....................................................................................... 99 
4.3.3. Листовая штамповка ....................................................................................... 103 

5. ОСНОВЫ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА ............................................................... 110 

5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ .................................................................................................. 110 
5.2. ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ СВАРКА ................................................................................... 111 
5.2.1. Особенности электродуговой сварки............................................................. 111 
5.2.2. Ручная дуговая сварка .................................................................................... 113 
5.2.3. Автоматическая сварка под слоем флюса .................................................... 115 
5.2.4. Дуговая сварка в атмосфере защитных газов .............................................. 116 
5.2.5. Сварка плазменной дугой ............................................................................... 118 
5.3. ГАЗОВАЯ СВАРКА .................................................................................................... 120 
5.3.1 Основные сведения о процессе ...................................................................... 120 
5.3.2. Оборудование для газовой сварки ................................................................ 122 
5.3.3. Газокислородная резка металлов .................................................................. 124 
5.4. ЛУЧЕВЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ ............................................................................... 126 
5.5. МЕТОДЫ СВАРКИ ДАВЛЕНИЕМ ............................................................................. 130 
5.5.1. Электроконтактная сварка. Сущность и разновидности процесса ............. 130 
5.5.2. Диффузионная сварка .................................................................................... 138 
5.5.3. Сварка трением ............................................................................................... 140 
5.6. СТРОЕНИЕ И ДЕФЕКТЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ............................................ 142 
5.6.1. Структура сварного шва, полученного при электродуговой сварке ........... 142 
5.6.2. Дефекты сварных швов и причины их возникновения ................................ 145 
5.6.3. Контроль качества сварных соединений ....................................................... 149 

6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ... 151 

6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ .................................................................................................. 151 
6.2. ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ ................................................... 152 
6.2.1. Режим резания ................................................................................................. 154 
6.2.2. Геометрия инструмента и ее влияние на процесс резания  
и качество обработки ................................................................................................ 156 

– 4 – 

 

6.2.3. Физические основы процесса резания металлов. Стружкообразование ... 159 
6.2.4. Сила резания и ее составляющие ................................................................. 161 
6.2.5. Явление нароста. Износ и стойкость режущего инструмента.  
Смазывающе-охлаждающие технологические среды ........................................... 163 
6.3. ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ТОЧЕНИЕМ .................................................................. 166 
6.3.1. Характеристика метода .................................................................................. 167 
6.3.2. Инструмент для точения ................................................................................. 168 
6.3.3. Рабочие приспособления для токарной обработки ..................................... 170 
6.3.4. Станки токарной группы. Устройство универсального  
токарно-винторезного станка ................................................................................... 171 
6.4. ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА СВЕРЛИЛЬНЫХ СТАНКАХ ................................... 174 
6.4.1. Характеристика метода .................................................................................. 174 
6.4.2. Виды, элементы и геометрия осевого инструмента .................................... 176 
6.4.3. Станки сверлильной группы ........................................................................... 178 
6.5. ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА ПРОТЯЖНЫХ СТАНКАХ ....................................... 179 
6.5.1. Характеристика метода .................................................................................. 179 
6.5.2. Элементы, геометрия инструмента ............................................................... 180 
6.5.3. Протяжные станки ........................................................................................... 182 
6.6. ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ФРЕЗЕРОВАНИЕМ ...................................................... 183 
6.6.1. Характеристика метода .................................................................................. 183 
6.6.2. Виды фрез, их элементы и геометрия .......................................................... 184 
6.6.3. Станки фрезерной группы .............................................................................. 186 
6.7. СТРОГАНИЕ И ДОЛБЛЕНИЕ ................................................................................... 187 
6.7.1. Характеристика методов строгания и долбления ........................................ 187 
6.7.2. Строгальные и долбежные станки ................................................................. 188 
6.8. ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК АБРАЗИВНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ НА СТАНКАХ ..... 190 
6.8.1. Характеристика методов шлифования .......................................................... 190 
6.8.2. Особенности процесса резания при шлифовании ....................................... 192 
6.8.3. Состав абразивного инструмента .................................................................. 193 
6.8.4. Станки шлифовальной группы ....................................................................... 194 
6.8.5. Отделочная обработка .................................................................................... 195 
6.9. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ   
ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК ............................................................................................... 200 
6.9.1. Электрофизические методы обработки ........................................................ 201 
6.9.2. Электрохимическая обработка ....................................................................... 205 

7. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ИХ ОБРАБОТКИ ................. 209 

7.1. СОСТАВ И ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС ................ 209 
7.1.1. Полимеры ......................................................................................................... 209 
7.1.2. Пластмассы ...................................................................................................... 211 
7.1.3. Методы получения изделий из пластмасс .................................................... 212 
7.2. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С НЕМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ   
И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ ........................................................................... 217 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................................................................... 222 

– 5 – 

ВВЕДЕНИЕ 

 
 
 
Дисциплина «Технологии материалов» содержит материал о традиционных и новых технологиях обработки материалов в металлургической, машиностроительной, химической промышленности и др.  
Анализируя последовательность этапов выбора материала и технологии получения деталей, конструкций и инструмента из него, можно 
представить возможности изделий при эксплуатации.  
Эти сведения необходимы при проектировании и создании художественных изделий из металлических, полимерных и других материалов,  
а для этого нужно знать диапазон технологических процессов обработки. 
В пособии приведены сведения об основах атомно-кристаллического строения металлов и сплавов, их свойствах, классификации и области применения, чтобы студенты ориентировались в номенклатуре  
материалов. 
Описаны способы производства стали, уделено внимание сущности процессов ее выплавки, разливки и рафинирования. 
Далее изложены основы технологий получения заготовок деталей 
машин и конструкций, к которым относятся: 
• различные виды литья: специальные и в песчано-глинистые формы со сведениями об их возможностях и недостатках; 
• виды обработки металлов давлением, сущность процессов горячего и холодного деформирования металлов, методы получения листов, 
профилей, труб и заготовок деталей машин; 
• основы сварки металлов электродуговой, контактной, газовой  
и лучевые способы сварки, а также резки металлов. 
Рассмотрены способы обработки заготовок деталей машин: 
• процессы, происходящие при различных методах обработки  
резанием, применяемый инструмент, краткие сведения о конструкции 
станков; 
• электрофизические, электрохимические и электромеханическе 
методы обработки заготовок, позволяющие даже трудно обрабатываемым материалам предавать сложную конфигурацию и высокую чистоту 
поверхности.  
Приведены также способы получения изделий из полимерных  
и некоторых видов композиционных неметаллических материалов. 
Основная цель изучения дисциплины «Технологии материалов» – 
сформировать у студентов знания о структуре технологических процессов производства и свойствах выпускаемых изделий. 

– 6 – 

1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА  
МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 

 
 
 
1.1. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ 
 
 
В твердом состоянии металлы имеют кристаллическое строение. 
Атомы в металле располагаются закономерно, образуя правильную кристаллическую решетку (рис. 1.1), что соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов. 
Кристаллическая решетка состоит из воображаемых линий и плоскостей, проходящих через точки расположения атомов в пространстве.  
Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной 
структуре металла в любом объеме, получил название элементарной 
кристаллической ячейки (рис. 1.1). Расстояния (ребра) а, b, с между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке называются периодами 
решетки. Период решетки выражается в нанометрах (1 нм = 10−8 мм). 
Для однозначной характеристики ячейки необходимо знать и три 
угла α, β и γ между осями (рис. 1.1, а). 
Большинство металлов образует одну из следующих высокосимметричных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемноцентрированную, кубическую гранецентрированную и гексагональную 
плотноупакованную (рис. 1.1). 
 

а
б
в

 
Рис. 1.1. Кристаллические решетки металлов: а – объемно-центрированная кубическая (ОЦК);  
б – гранецентрированная кубическая (ГЦК); в – гексагональная плотноупакованная (ГПУ) 

– 7 – 

Некоторые металлы могут изменять свою структуру (форму кри
сталлической решетки) и свойства под действием определенных факторов, это называется полиморфизмом или аллотропией. 

 
 
 
1.2. СВЕДЕНИЯ О СПЛАВАХ 
 
 
Наиболее распространенными материалами в технике являются 
металлические сплавы. Металлический сплав образуется в результате 
взаимодействия двух или нескольких химических элементов (компонентов). Он обладает металлическими свойствами, отличающимися от 
свойств исходных компонентов. 
Сплавы можно получить методом сплавления, порошковой металлургией, электролизом, осаждением из газовой среды различных металлов и неметаллов. 
В связи с изучением сплавов необходимо дать определение некоторым металлографическим понятиям. 
Фаза – это однородная часть системы (сплава), имеющая одинаковые состав, строение, агрегатное состояние, отделенная от остальных частей системы поверхностью раздела. 
Системой называется совокупность фаз в сплаве, находящихся  
в состоянии стабильного или метастабильного равновесия. 
Система может быть однофазной (однородной), подобно воде 
(жидкости), и неоднородной, состоящей из двух или трех фаз, например 
вода, лед (жидкость + твердое тело) или пар – вода – лед (жидкость + 
+ твердое тело + газ). 
Система может быть простой или сложной. Простая система состоит из одного компонента. Сложная система включает в себя два или 
более компонентов. Например, система Рb−Sb является двойной, а система Al–Cu–Mn – тройной и т. д.  
Структурная составляющая – это однородная составляющая системы, состоящая из одной или нескольких фаз, имеющая характерное 
регулярное строение, форму и одинаковый средний химический состав. 
Выделение из кристаллов твердой фазы других твердых фаз по мере охлаждения сплава называется вторичной кристаллизацией. 
В сплаве в твердом состоянии могут образовываться кристаллические фазы двух видов: твердые растворы и промежуточные фазы. 
Твердые растворы – это кристаллы, образовавшиеся при распределении атомов одного компонента в кристаллической решетке другого. 

– 8 – 

 

Один компонент (растворитель) сохраняет свою кристаллическую 
решетку, другой (растворяемый) отдает свои атомы в решетку растворителя. Вокруг атома растворенного элемента возникают местные искажения пространственной решетки, это приводит к изменению ее периода  
и свойств. 
Твердые растворы обозначают буквами греческого алфавита α, β, γ. 
Различают твердые растворы замещения и внедрения (рис. 1.2, а, б). 
Образование твердых растворов замещения сопровождается заменой 
атомов растворителя в его кристаллической решетке на атомы растворенного компонента. Это происходит, если размеры атомов обоих компонентов различаются незначительно. 
 
 

 

а
б
в

 
Рис. 1.2. Схемы кристаллического строения твердых фаз сплавов: 
а – твердого раствора замещения; б – твердого раствора внедрения;  
в – промежуточной фазы переменного состава, FeO 
 
 
Твердые растворы внедрения образуются при размещении атомов 
растворенного компонента в межузельном пространстве кристаллической решетки растворителя между атомами основного металла. 
Размеры атомов растворенного компонента (азота, водорода, углерода) значительно меньше атомов растворителя (металла). 
Состав твердого раствора может меняться. Растворимость элементов с понижением температуры часто уменьшается. Твердые растворы 
внедрения имеют ограниченную растворимость (рис. 1.2, б), а твердые 
растворы замещения могут быть с ограниченной и с неограниченной 
растворимостью (рис. 1.2, а). 
Кристаллы, образованные различными элементами и имеющие 
собственный тип кристаллической решетки, отличающийся от решеток 
составляющих их элементов, называют промежуточной фазой или химическим соединением (рис. 1.2, в). Их свойства резко отличаются от 
свойств исходных компонентов. 
 

– 9 –