Материаловедение и технологии конструкционных материалов

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ  И  ТЕХНОЛОГИИ 
КОНСТРУКЦИОННЫХ  МАТЕРИАЛОВ

Рассмотрены тенденции и направления развития современного 

теоретического и прикладного материаловедения, закономерно
сти формирования структуры и свойств материалов при различ
ных видах воздействия и технологии получения. Изложены механиз
мы фазовых и структурных превращений в зависимости от условий 

термической и механической обработок. Приведены современные 

материалы и технологии, применяемые при получении изделий те
плоэнергетического комплекса.

 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ  И  ТЕХНОЛОГИИ 

КОНСТРУКЦИОННЫХ  МАТЕРИАЛОВ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ  И  ТЕХНОЛОГИИ 

КОНСТРУКЦИОННЫХ  МАТЕРИАЛОВ

Оглавление 
 

1 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ  И  ТЕХНОЛОГИИ  
КОНСТРУКЦИОННЫХ  МАТЕРИАЛОВ 
 
Допущено учебно-методическим советом  
Сибирского федерального университета в качестве учебника 
для студентов, обучающихся по направлению подготовки  
бакалавров 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2019 

Материаловедение и технологии конструкционных материалов 

2 

УДК 621.7/.9(07) 
ББК 30.3я73 
         М341 
 
 
 
А в т о р ы: 
О. А. Масанский, В. С. Казаков, А. М. Токмин,  
Л. А. Свечникова, Е. А. Астафьева 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
В. М. Матюнин, доктор технических наук, профессор Национального 
исследовательского университета «Московский энергетический институт»; 
Н. М. Романченко, кандидат технических наук, доцент Красноярского 
государственного аграрного университета 
 
 
 
 
 
 
 
 
М341          Материаловедение и технологии конструкционных материалов : учебник / О. А. Масанский, В. С. Казаков, А. М. Токмин [и др.]. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2019. – 336 с. 
 
ISBN 978-5-7638-4096-4 
 
Рассмотрены тенденции и направления развития современного теоретического и прикладного материаловедения, закономерности формирования структуры и свойств материалов при различных видах воздействия и технологии получения. Изложены механизмы фазовых и структурных превращений в зависимости 
от условий термической и механической обработок. Приведены современные материалы и технологии, применяемые при получении изделий теплоэнергетического комплекса. 
Предназначен для студентов бакалавриата, обучающихся по направлению подготовки 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника». 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 621.7/.9(07)  
ББК 30.3я73 
 
ISBN 978-5-7638-4096-4                                                           © Сибирский федеральный  
                                                                                                         университет, 2019 

Оглавление 
 

3 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
ВВЕДЕНИЕ ......................................................................................................... 8 
 
1. ОБЩАЯ  ХАРАКТЕРИСТИКА  И  СВОЙСТВА  МЕТАЛЛОВ ............. 10 
1.1. Общая характеристика металлов ........................................................ 10 
1.2. Свойства материалов ............................................................................ 11 
1.2.1. Механические свойства ............................................................. 11 
1.2.2. Технологические свойства ........................................................ 19 
1.2.3. Эксплуатационные свойства ..................................................... 20 
 
2. АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ  СТРОЕНИЕ  МЕТАЛЛОВ.  
    МЕХАНИЗМ  И  ПАРАМЕТРЫ  КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ......................... 22 
2.1. Атомно-кристаллическое строение металлов ................................... 22 
2.2. Полиморфизм и анизотропия. Магнитные превращения ................. 24 
2.3. Типы связей и их влияние на структуру и свойства кристаллов ..... 26 
2.4. Строение реальных металлов. Дефекты  
       атомно-кристаллического строения ................................................... 28 
2.5. Формирование структуры литых материалов ................................... 34 
2.5.1. Механизм и параметры кристаллизации.  
          Самопроизвольная кристаллизация ......................................... 34 
2.5.2. Несамопроизвольная кристаллизация. Условия  
          получения мелкозернистой структуры .................................... 36 
2.5.3. Строение стального слитка ....................................................... 37 
2.5.4. Получение монокристаллов ...................................................... 39 
2.5.5. Аморфные металлы ................................................................... 41 
2.5.6. Нанокристаллические материалы ............................................ 42 
 
3. ТЕОРИЯ  СПЛАВОВ.  ДИАГРАММЫ  СОСТОЯНИЯ  
    ДВОЙНЫХ  СИСТЕМ ................................................................................. 45 
3.1. Основные понятия в теории сплавов .................................................. 45 
3.2. Фазы в металлических системах ......................................................... 47 
3.3. Методы построения диаграмм состояния .......................................... 51 
3.4. Основные равновесные диаграммы состояния  
       двойных систем. Правило отрезков .................................................... 53 
3.5. Физические и механические свойства сплавов  
       в равновесном состоянии. Правило Курнакова ................................. 58 
 

Материаловедение и технологии конструкционных материалов 

4 

4. ДИАГРАММА  СОСТОЯНИЯ  ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД ........................... 60 
4.1. Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов ........................... 61 
4.2. Значение точек и линий диаграммы железо – цементит ................... 64 
4.3. Превращения в железоуглеродистых сплавах ................................... 68 
4.3.1. Превращения сталей в твердом состоянии .............................. 69 
4.3.2. Превращения чугунов ............................................................... 71 
4.3.3. Превращения в сплавах системы «железо – графит» ............. 73 
4.4. Влияние углерода и постоянных примесей  
       на свойства железо-углеродистых сплавов ........................................ 74 
 
5. МЕХАНИЗМ  И  ОСОБЕННОСТИ  
    ПЛАСТИЧЕСКОГО  ДЕФОРМИРОВАНИЯ ............................................ 77 
5.1. Механизм пластического деформирования ........................................ 77 
5.2. Механизм деформации моно- и поликристаллического тела ........... 79 
5.3. Возврат и рекристаллизация ................................................................ 81 
5.4. Разрушение металлов ........................................................................... 84 
 
6. ТЕРМИЧЕСКАЯ  И  ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ  
    ОБРАБОТКА  СПЛАВОВ ........................................................................... 87 
6.1. Отжиг сталей ........................................................................................ 88 
6.1.1. Нагрев для снятия остаточных напряжений ........................... 89 
6.1.2. Рекристаллизационный отжиг .................................................. 90 
6.1.3. Диффузионный отжиг ............................................................... 91 
6.1.4. Полный отжиг ............................................................................ 92 
6.1.5. Изотермический отжиг ............................................................. 93 
6.1.6. Неполный отжиг ........................................................................ 94 
6.1.7. Нормализация сталей ................................................................ 96 
6.2. Термическая обработка сплавов с переменной  
        растворимостью компонентов в твердом состоянии ....................... 97 
6.3. Превращения в сталях при нагреве до аустенитного состояния ... 100 
6.3.1. Превращение перлита в аустенит .......................................... 100 
6.3.2. Рост зерна аустенита при нагреве .......................................... 102 
6.4. Превращение аустенита при различных  
       степенях переохлаждения .................................................................. 104 
6.4.1. Диаграмма изотермического превращения  
          переохлажденного аустенита ................................................. 104 
6.4.2. Перлитное превращение ......................................................... 107 
6.4.3. Бейнитное превращение ......................................................... 109 
6.4.4. Мартенситное превращение ................................................... 110 
6.5. Закалка ................................................................................................. 114 
6.5.1. Выбор технологических параметров закалки ....................... 114 
6.5.2. Охлаждающие среды, применяемые при закалке ................ 116 

Оглавление 
 

5 

6.5.3. Прокаливаемость и закаливаемость ...................................... 117 
6.5.4. Практические способы закалки сталей. Обработка  
          холодом .................................................................................... 118 
6.5.5. Дефекты, возникающие при закалке ..................................... 121 
6.6. Отпуск закаленных сталей ................................................................ 122 
6.6.1. Превращения в закаленных сталях при отпуске .................. 122 
6.6.2. Виды отпуска ........................................................................... 124 
6.7. Химико-термическая обработка сплавов ......................................... 125 
6.7.1. Цементация .............................................................................. 126 
6.7.2. Азотирование .......................................................................... 130 
6.7.3. Цианирование и нитроцементация ........................................ 131 
6.7.4. Диффузионная металлизация ................................................ 132 
6.8. Термомеханическая обработка ......................................................... 133 
 
7. ВЛИЯНИЕ  ЛЕГИРУЮЩИХ  ЭЛЕМЕНТОВ  
    НА  СТРУКТУРУ  И  СВОЙСТВА  СТАЛЕЙ ........................................ 135 
7.1. Влияние легирующих элементов на равновесную  
       структуру сталей ................................................................................ 135 
7.2. Распределение легирующих элементов в стали .............................. 138 
7.2.1. Влияние легирующих элементов на свойства феррита ....... 138 
7.2.2. Взаимодействие легирующих элементов с углеродом ........ 139 
7.3. Влияние легирующих элементов на превращения в сталях ........... 141 
7.3.1. Влияние легирующих элементов  
          на превращение переохлажденного аустенита ..................... 141 
7.3.2. Влияние легирующих элементов на температуру  
          мартенситного превращения .................................................. 142 
7.3.3. Влияние легирующих элементов на превращения  
          при отпуске ............................................................................... 143 
7.4. Назначение легирующих элементов ................................................. 145 
 
8. КЛАССИФИКАЦИЯ  И  МАРКИРОВКА  СТАЛЕЙ ............................. 148 
8.1. Классификация сталей ....................................................................... 148 
8.2. Маркировка сталей ............................................................................. 150 
 
9. КОНСТРУКЦИОННЫЕ  СТАЛИ ............................................................. 155 
9.1. Углеродистые конструкционные стали ............................................ 155 
9.1.1. Углеродистые стали обыкновенного качества ..................... 156 
9.1.2. Углеродистые качественные стали ........................................ 157 
9.2. Легированные стали ........................................................................... 159 
9.2.1. Стали с высокой технологической пластичностью  
          и свариваемостью .................................................................... 159 
9.2.2. Автоматные стали ................................................................... 162 

Материаловедение и технологии конструкционных материалов 

6 

9.2.3. Цементуемые стали ................................................................. 163 
9.2.4. Улучшаемые стали .................................................................. 167 
9.2.5. Высокопрочные стали ............................................................. 169 
9.2.6. Рессорно-пружинные стали .................................................... 172 
9.2.7. Подшипниковые стали ............................................................ 174 
9.2.8. Износостойкие стали ............................................................... 175 
 
10. МАТЕРИАЛЫ  В  ТЕПЛОТЕХНИКЕ  И  ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ ...... 177 
10.1. Свойства сталей, обеспечивающие устойчивость  
          к воздействию температуры и рабочей среды ............................ 178 
10.1.1. Жаропрочность и критерии ее оценки ............................ 178 
10.1.2. Усталость металлов ........................................................... 185 
10.1.3. Коррозионная стойкость металлов .................................. 188 
10.1.4. Эрозийный и кавитационный износ ................................ 199 
10.1.5. Влияние температурно-временных факторов  
            на фазовый состав, сфероидизацию  
            и графитизацию сталей ..................................................... 202 
10.2. Материалы котельных установок и паровых турбин .................. 203 
10.2.1. Углеродистые стали .......................................................... 204 
10.2.2. Жаропрочные стали и сплавы .......................................... 205 
10.2.3. Жаростойкие стали и сплавы ........................................... 214 
10.2.4. Коррозионно-стойкие стали ............................................. 216 
10.2.5. Чугуны ................................................................................ 220 
10.3. Новые стали для перспективных энергоустановок  
         со сверхкритическими параметрами пара .................................... 228 
10.4. Аварии паровых котлов и методы их предупреждения .............. 230 
10.5. Основные типы эксплуатационных повреждений металла  
         и причины их возникновения ........................................................ 234 
 
11. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ  СТАЛИ......................................................... 238 
11.1. Стали и сплавы для режущего инструмента ................................ 238 
11.2. Штамповые стали ............................................................................ 243 
11.3. Стали для измерительных инструментов ..................................... 244 
 
12. ЦВЕТНЫЕ  МЕТАЛЛЫ  И  СПЛАВЫ  НА  ИХ  ОСНОВЕ ................. 246 
12.1. Медь и ее сплавы ............................................................................ 246 
12.1.1. Латуни .................................................................................. 248 
12.1.2. Бронзы .................................................................................. 251 
12.2. Алюминий и его сплавы ................................................................. 253 
12.2.1. Деформируемые алюминиевые сплавы ........................... 255 
12.2.2. Литейные алюминиевые сплавы ...................................... 257 
12.3. Титан и его сплавы ......................................................................... 257 

Оглавление 
 

7 

 
13. КОМПОЗИЦИОННЫЕ  И  НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ  МАТЕРИАЛЫ . 259 
13.1. Композиционные материалы ......................................................... 259 
13.2. Неметаллические материалы ......................................................... 263 
 
14. ТЕХНОЛОГИИ  КОНСТРУКЦИОННЫХ  МАТЕРИАЛОВ ............... 269 
14.1. Литейное производство.................................................................. 269 
14.2. Обработка металлов давлением .................................................... 276 
14.2.1. Прокатное производство .................................................. 278 
14.2.2. Методы прессования ......................................................... 285 
14.3. Сварочное производство ................................................................ 288 
14.3.1. Электродуговая сварка ...................................................... 289 
14.3.2. Газовая сварка .................................................................... 293 
14.3.3. Сварка давлением .............................................................. 296 
14.4. Обработка металлов резанием ....................................................... 302 
14.4.1. Обработка заготовок на станках токарной группы ........ 304 
14.4.2. Обработка заготовок на сверлильных станках ............... 308 
14.4.3. Обработка заготовок на фрезерных станках ................... 312 
14.4.4. Обработка заготовок шлифованием ................................ 317 
14.4.5. Полирование ...................................................................... 322 
14.5. Аддитивные технологии и аддитивное производство  ............... 324 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ  ............................................................................................. 333 
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ........................................................... 334

Материаловедение и технологии конструкционных материалов 

8 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Материаловедение – это наука, изучающая взаимосвязь между 
составом, строением и свойствами металлов и сплавов в различных условиях. Знания, полученные в результате изучения этой дисциплины, позволяют осуществить рациональный выбор материалов для конкретного применения. 
Материаловедение – постоянно развивающаяся наука, непрерывно 
обогащающаяся за счет разработки новых материалов, которые, в свою 
очередь, стимулируют прогресс во всех областях науки и техники. 
Техническое значение материала определяется его строением 
и выражается в его свойствах. Из металлических материалов наиболее 
применяющимся и самым разносторонним является железо и сплавы на 
его основе, которые и в ближайшее время будут занимать ведущее место. 
Из этих материалов изготовляются самые различные изделия, начиная от 
жестяных консервных банок и заканчивая котлами для атомных реакторов 
из нержавеющей стали.  
Материаловедение, как наука о структуре и свойствах различных 
материалов, существенно модернизируется за счет интеграции физики 
твердого тела, химии и технологии неорганических веществ, механики 
твердого деформированного тела и нелинейной механики разрушения. 
Единый синергетический подход к явлениям первичной и вторичной кристаллизации, упругой и пластической деформации стал возможен благодаря новому пониманию реальной структуры материалов на всех иерархических уровнях. 
Эффективное управление свойствами сплавов невозможно без знания механизмов структурных превращений в сплавах, дислокационноструктурных механизмов разрушения, фракталов и возможностей использования принципа обратных связей, действующих в микроструктурах 
сплавов. Это поможет сохранять оптимальные метастабильные структуры, 
соответствующие требуемым физико-механическим свойствам сплавов 
и различных материалов, для повышения долговечности их работы. 
Современный уровень развития энергетической отрасли обуславливает необходимость создания новых материалов и технологий изготовления деталей паро- и газотурбинных теплоэлектростанций, что позволит 
значительно увеличить их рабочий ресурс и повысить технико-экономические 
показатели. 

Введение 
 

9 

Тепловые электрические станции, оснащенные мощными энерге
тическими блоками с паровыми котлами сверхкритических и высоких параметров пара, обеспечивают большую часть вырабатываемой в настоящее время электрической энергии и поддержание их высокой надежности 
и экономичности. Такую задачу можно решить только посредством правильного выбора материалов и технологических процессов, используемых 
при изготовлении, монтаже и ремонте оборудования. 

Ввод мощных энергетических блоков сопровождается увеличени
ем блочности их изготовления и комплектности заводской поставки энергооборудования, повышением качества изготовления и технического 
уровня котлов, вспомогательного оборудования, деталей трубопроводов 
и арматуры. 

Повышение температуры перегрева свежего пара и промежуточно
го перегрева сдерживается отсутствием подходящих сталей для высокотемпературной части пароперегревателей и паропроводов. Переход на более высокий уровень температур связан с необходимостью применения 
дорогих и малотехнологичных сталей и сплавов, содержащих высокий 
процент таких дефицитных легирующих элементов, как никель, вольфрам, 
молибден и др. 

Проведение исследований, позволяющих обосновать правильный 

выбор материалов, а также сформулировать рекомендации по совершенствованию конструкций и режимов эксплуатации энергооборудования, 
удачный выбор химического состава жаропрочной стали не дают возможности обеспечить ее надежную работу в эксплуатации. Большую роль        
играют технология металлургического производства (шихтовка, способ 
выплавки, режимы прокатки, термической обработки и др.), а также технология изготовления и монтажа элементов котельного агрегата (гибка, 
сварка, последующая термическая обработка). И только при высоком 
уровне технологии и культуры производства и эксплуатации можно обеспечить надежную работу современного котла и паровой турбины.