Материаловедение и металловедение сварки

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ СВАРКИ  
 
 
 
 
Допущено учебно-методическим объединением вузов  
по университетскому техническому образованию в качестве учебника  
для студентов вузов, обучающихся по направлению  
15.03.02 «Технологические машины и оборудование»  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2021 
1 


УДК 669.01 
ББК 34.2 
М34 
Авторы: 
В. Н. Гадалов, В. Р. Петренко, С. В. Сафонов, 
Е. А. Филатов, А. В. Филонович 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор,  
главный металлург ПАО «ВАСО» А. Б. Коломенский;  
доктор технических наук, профессор  
Тульского государственного университета А. Е. Гвоздев 
 
 
 
 
М34  
Материаловедение и металловедение сварки : учебник / [В. Н. Гадалов и др.]. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. í 308 с. :  
ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-0625-3 
Рассмотрены вопросы строения металлов и сплавов, физические основы изме- 
нения строения и свойств конструкционных материалов. Приводятся широко исполь- 
зуемые методы определения механических свойств материалов при различных видах  
нагружения.  Описаны  виды  термической  обработки  и  методы  упрочнения  металла.  
Дана классификация конструкционных сталей. Представлены сведения по наномате- 
риалам и технологиям их получения. Приводятся сведения о неметаллических мате- 
риалах, их свойствах. Описаны основы металловедения сварки и термической обра- 
ботки сварных соединений; предложены лабораторные работы. 
Для студентов и аспирантов, обучающихся по техническим направлениям и специальностям. Может быть полезно преподавателям, научно-техническим работникам, 
технологам, инженерам, работающим в различных отраслях машиностроения, металлургии и др. 
 
УДК 669.01 
 
ББК 34.2 
 
 
Электронные материалы доступны на сайте 
 издательства «Инфра-Инженерия» www.infra-e.ru 
 
 
ISBN 978-5-9729-0625-3  
 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
 
 
‹ Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
2 


 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Предисловие ............................................................................................................. 12 
Введение .................................................................................................................... 13 
1. Материаловедение.  
Особенности атомно-кристаллического строения металлов ......................... 14 
1.1. Металлы, особенности атомно-кристаллического строения 
..................... 16 
1.2. Понятие об изотропии и анизотропии ......................................................... 18 
1.3. Аллотропия или полиморфные превращения ............................................. 20 
1.4. Магнитные превращения 
............................................................................... 20 
2. Строение реальных металлов. Дефекты кристаллического строения .... 21 
2.1. Точечные дефекты ......................................................................................... 21 
2.2. Линейные дефекты 
......................................................................................... 22 
2.3. Простейшие виды дислокаций - краевые и винтовые ............................... 22 
2.4. Кристаллизация металлов. Методы исследования металлов .................... 27 
2.4.1. Механизм и закономерности кристаллизации металлов .................... 29 
2.4.2. Условия получения мелкозернистой структуры 
.................................. 31 
2.4.3. Строение металлического слитка .......................................................... 32 
2.5. Методы исследования металлов ................................................................... 33 
2.5.1. Определение химического состава 
........................................................ 33 
2.5.2. Изучение структуры 
................................................................................ 34 
2.5.3. Физические методы исследования ........................................................ 35 
3. Общая теория сплавов. Строение, кристаллизация и свойства сплавов.  
Диаграмма состояния ............................................................................................. 36 
3.1. Понятия о сплавах .......................................................................................... 36 
3.2. Основные понятия в теории сплавов ........................................................... 36 
3.3. Особенности строения, кристаллизации и свойств сплавов:  
механических смесей; твёрдых растворов; химических соединений 
.............. 37 
3.3.1. Классификация твёрдых растворов 
....................................................... 38 
3.4. Кристаллизация сплавов 
................................................................................ 40 
3.5. Диаграмма состояния 
..................................................................................... 40 
4. Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов 
.................................... 42 
4.1. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью  
компонентов в твёрдом состоянии (сплавы - твёрдые растворы  
с неограниченной растворимостью) 
.................................................................... 42 
4.2. Диаграмма состояния сплавов с отсутствием растворимости  
компонентов в твёрдом состоянии (механические смеси) ............................... 44 
3 


4.3. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью  
компонентов в твёрдом состоянии ...................................................................... 46 
4.4. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют  
химические соединения 
........................................................................................ 47 
4.5. Диаграмма состояния сплавов, испытывающих фазовые превращения  
в твёрдом состоянии (переменная растворимость) ........................................... 48 
4.6. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния ........... 49 
5. Нагрузки, напряжения и деформации. Механические свойства .............. 51 
5.1. Физическая природа деформации металлов 
................................................ 51 
5.2. Природа пластической деформации 
............................................................. 53 
5.3. Дислокационный механизм пластической деформации ............................ 54 
5.4. Разрушение металлов 
..................................................................................... 56 
5.5. Механические свойства и способы определения их количественных 
характеристик ........................................................................................................ 56 
6. Механические свойства (продолжение).  
Технические и эксплуатационные свойства 
...................................................... 61 
6.1. Механические свойства и способы определения их количественных  
характеристик: твёрдость, вязкость, усталостная прочность ........................... 61 
6.2. Твёрдость по Бринеллю 
................................................................................. 61 
6.3. Метод Роквелла .............................................................................................. 62 
6.4. Метод Виккерса 
.............................................................................................. 63 
6.5. Метод царапания ............................................................................................ 63 
6.6. Динамический метод (по Шору) 
................................................................... 63 
6.6.1. Влияние температуры на вязкость ........................................................ 64 
6.6.2. Способы оценки вязкости ...................................................................... 64 
6.6.3. Оценка вязкости по виду изюма 
............................................................ 66 
6.7. Основные характеристики выносливости ................................................... 67 
6.7.1. Технологические свойства ..................................................................... 68 
6.7.2. Эксплуатационные свойства .................................................................. 68 
7. Конструкционная прочность материалов. Особенности деформации  
поликристаллических тел. Наклеп, возврат и рекристаллизация ............... 70 
7.1. Конструкционная прочность материалов .................................................... 70 
7.2. Особенности деформации поликристаллических тел ................................ 71 
7.3. Влияние пластической деформации на структуру  
и свойства металла. Наклеп 
.................................................................................. 72 
7.4. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла.  
Возврат и рекристаллизация ................................................................................ 73 
8. Железоуглеродистые сплавы.  
Диаграмма состояния железо - углерод ............................................................. 77 
4 


8.1. Структуры железоуглеродистых сплавов 
.................................................... 77 
8.2. Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов 
.................................... 78 
8.3. Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов ...... 80 
8.4. Структуры железоуглеродистых сплавов 
.................................................... 81 
8.5. Стали. Влияние углерода примесей на свойства сталей 
............................ 83 
8.5.1. Влияние углерода 
.................................................................................... 84 
8.5.2. Влияние примесей 
................................................................................... 84 
8.6. Назначение легирующих элементов ............................................................ 86 
8.7. Распределение легирующих элементов в стали 
.......................................... 87 
9. Классификация и маркировка сталей ............................................................ 88 
9.1. Классификация сталей ................................................................................... 88 
9.2. Маркировка сталей 
......................................................................................... 88 
9.2.1. Углеродистые стали обыкновенного качества 
..................................... 88 
9.2.2. Качественные углеродистые стали........................................................ 89 
9.2.3. Качественные и высококачественные легированные стали ............... 89 
9.2.4. Легированные конструкционные стали ................................................ 89 
9.2.5. Легированные инструментальные стали .............................................. 90 
9.2.6. Быстрорежущие инструментальные стали ........................................... 90 
9.2.7. Шарикоподшипниковые стали .............................................................. 90 
10. Чугуны. Диаграмма состояния железо - графит. Строение, свойства,  
классификация и маркировка серых чугунов .................................................. 91 
10.1. Классификация чугунов .............................................................................. 91 
10.2. Диаграмма состояния железо - графит 
...................................................... 91 
10.3. Процесс графитизации 
................................................................................. 92 
10.4. Строение, свойства, классификация и маркировка серых чугунов ........ 93 
10.5. Влияние состава чугуна на процесс графитизации .................................. 94 
10.6. Влияние графита на механические свойства обливок ............................. 94 
Положительные стороны наличия графита 
.................................................... 95 
10.7. Серый чугун 
.................................................................................................. 95 
10.8. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом ..................................... 96 
10.9. Ковкий чугун ................................................................................................ 97 
10.10. Отбеленные и другие чугуны 
.................................................................... 98 
11. Виды термической обработки металлов. Основы теории термической  
обработки стали (часть 1) ...................................................................................... 99 
11.1. Виды термической обработки металлов .................................................... 99 
11.2. Превращения, протекающие в структуре стали при нагреве  
и охлаждении ....................................................................................................... 100 
11.3. Механизм основных превращений 
........................................................... 101 
11.3.1. Превращение перлита в аустенит 
...................................................... 101 
5 


11.3.2. Превращение аустенита в перлит при медленном охлаждении 
..... 103 
11.3.3. Закономерности превращения ........................................................... 103 
11.3.4. Промежуточное превращение 
............................................................ 106 
12. Основы теории термической обработки стали (часть 2).  
Технические особенности и возможности отжига и нормализации ........... 107 
12.1. Превращение аустенита в мартенсит 
 при высоких скоростях охлаждения................................................................. 107 
12.2. Превращения мартенсита в перлит .......................................................... 109 
12.3. Технические возможности и особенности отжига,  
нормализации закалки и отпуска 
....................................................................... 110 
12.4. Отжиг и нормализация. Назначение и режимы ...................................... 112 
Отжиг первого рода ........................................................................................ 112 
13. Технологические особенности и возможности закалки и отпуска 
........ 115 
13.1. Закалка 
......................................................................................................... 115 
13.2. Способы закалки ........................................................................................ 117 
13.3. Отпуск.......................................................................................................... 119 
Отпускная хрупкость ...................................................................................... 119 
14. Химико-термическая обработка стали: цементация, азотирование,  
нитроцементация и диффузионная металлизация 
......................................... 121 
14.1. Химико-термическая обработка стали (общие сведения) ..................... 121 
14.2. Назначение и технология видов химико-термической обработки ....... 122 
14.2.1. Цементация .......................................................................................... 122 
14.2.2. Цементация в твёрдом карбюризаторе ............................................. 122 
14.2.3. Газовая цементация 
............................................................................. 123 
14.2.4. Структура цементованного слоя ....................................................... 123 
14.2.5. Термическая обработка после цементации ...................................... 123 
14.2.6. Азотирование 
....................................................................................... 125 
14.2.7. Цианирование и нитроцементации ................................................... 126 
14.2.8. Диффузионная металлизация 
............................................................. 127 
15. Методы упрочнения металла 
........................................................................ 128 
15.1. Термомеханическая обработка стали 
....................................................... 128 
15.2. Поверхностное упрочнение стальных деталей ....................................... 129 
Закалка токами высокой частоты .................................................................. 130 
15.3. Газопламенная закалка .............................................................................. 131 
15.4. Старение ...................................................................................................... 131 
15.5. Обработка стали холодом 
.......................................................................... 133 
15.6. Упрочнение методом пластической деформации 
................................... 133 
16. Конструкционные материалы. Легированные стали 
.............................. 135 
16.1. Конструкционные стали ............................................................................ 135 
6 


16.2. Легированные стали 
................................................................................... 135 
16.2.1. Достоинства легированных сталей 
.................................................... 136 
16.2.2. Недостатки ........................................................................................... 136 
16.3. Влияние элементов на полиморфизм железа .......................................... 136 
16.4. Влияние легирующих элементов на превращения в стали 
.................... 137 
16.4.1. Влияние легирующих элементов на превращения перлита  
в аустенит ......................................................................................................... 137 
16.4.2. Влияние легирующих элементов  
на превращения переохлаждённого аустенита ............................................ 138 
16.4.3. Влияние легирующих элементов  
на мартенситное превращение 
....................................................................... 139 
16.4.4. Влияние легирующих элементов на превращение при отпуске .... 139 
16.5. Классификация легированных сталей 
...................................................... 139 
17. Конструкционные стали.  
Классификация конструкционных сталей ...................................................... 142 
17.1. Классификация конструкционных сталей ............................................... 142 
17.2. Углеродистые стали ................................................................................... 142 
17.3. Цементуемые и улучшаемые стали 
.......................................................... 142 
17.3.1. Цементуемые стали 
............................................................................. 142 
17.3.2. Улучшаемые стали 
.............................................................................. 144 
17.3.3. Улучшаемые легированные стали 
..................................................... 144 
17.4. Высокопрочные, пружинные, шарикоподшипниковые,  
износостойкие и автоматные стали ................................................................... 145 
17.4.1. Высокопрочные стали......................................................................... 145 
17.4.2. Пружинные стали 
................................................................................ 146 
17.4.3. Шарикоподшипниковые стали .......................................................... 147 
17.4.4. Стали для изделий, работающих при низких температурах .......... 147 
17.4.5. Износостойкие стали .......................................................................... 148 
17.4.6. Автоматные стали ............................................................................... 148 
18. Инструментальные стали .............................................................................. 149 
18.1. Стали для режущего инструмента 
............................................................ 149 
18.2. Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435) 
........................... 149 
18.3. Легированные инструментальные стали ................................................. 150 
18.4. Быстрорежущие стали ............................................................................... 151 
18.5. Стали для измерительных инструментов ................................................ 152 
18.6. Штамповые стали 
....................................................................................... 153 
18.6.1. Стали для штампов холодного деформирования ............................ 153 
18.6.2. Стали для штампов горячего деформирования ............................... 153 
18.7. Твердые сплавы .......................................................................................... 154 
7 


18.8. Алмаз как материал для изготовления инструментов 
............................ 154 
19. Коррозионно-стойкие стали и сплавы. Жаростойкие стали и сплавы.  
Жаропрочные стали и сплавы 
............................................................................ 156 
19.1. Коррозия электрохимическая и химическая ........................................... 156 
19.2. Классификация коррозионно-стойких сталей и сплавов ....................... 157 
19.3. Хромистые стали ........................................................................................ 158 
19.4. Жаростойкость, жаростойкие стали и сплавы ........................................ 160 
19.5. Жаропрочность, жаропрочные стали и сплавы....................................... 161 
19.6. Классификация жаропрочных сталей и сплавов 
..................................... 162 
20. Цветные металлы и сплавы на их основе. Титан и его сплавы.  
Алюминий и его сплавы. Магний и его сплавы. Медь и ее сплавы 
........... 165 
20.1. Цветные металлы ....................................................................................... 165 
20.2. Титан и его сплавы 
..................................................................................... 165 
20.3. Алюминий и его сплавы ............................................................................ 167 
20.3.1. Алюминиевые сплавы 
......................................................................... 167 
20.3.2. Литейные алюминиевые сплавы ....................................................... 169 
20.4. Магний и его сплавы 
.................................................................................. 169 
20.4.1. Деформируемые магниевые сплавы ................................................. 169 
20.4.2. Литейные магниевые сплавы ............................................................. 169 
20.5. Медь и ее сплавы 
........................................................................................ 170 
20.5.1. Латуни .................................................................................................. 170 
20.5.2. Бронзы .................................................................................................. 171 
21. Композиционные материалы. Материалы порошковой металлургии:  
пористые, конструкционные, электротехнические ....................................... 174 
21.1. Композиционные материалы .................................................................... 174 
21.2. Материалы порошковой металлургии ..................................................... 177 
21.2.1. Пористые порошковые материалы 
.................................................... 178 
21.2.2. Прочие пористые изделия .................................................................. 179 
21.2.3. Конструкционные порошковые материалы ..................................... 179 
21.2.4. Спеченные цветные металлы ............................................................. 180 
21.2.5. Электротехнические порошковые материалы ................................. 181 
21.2.6. Магнитные порошковые материалы ................................................. 181 
22. Модифицирование - метод управления структурой  
и свойствами металлов, сплавов и покрытий 
................................................. 183 
Библиографический список 
................................................................................ 189 
23. Наноматериалы ............................................................................................... 191 
23.1. Нанопорошки 
.............................................................................................. 191 
23.2. Объемные наноструктурные материалы ................................................. 194 
23.3. Аморфные тела. Нанокристаллические материалы ............................... 196 
8 


23.3.1. Аморфные тела .................................................................................... 196 
23.3.2. Нанокристаллические материалы ..................................................... 199 
23.4. Нанотехнологии 
.......................................................................................... 203 
23.4.1. Применение в медицине 
..................................................................... 208 
23.4.2. Создание конкурентоспособных ионно-плазменного кластерного  
оборудования, средств нанотехнологического контроля  
и процессов двойного применения 
................................................................ 209 
23.4.3. Рынок сбыта, конкуренция, маркетинг 
............................................. 213 
23.5. Основные направления развития нанотехнологий ................................. 214 
23.6. Перспективы использования нанотехнологий и наноматериалов ........ 216 
23.7. Ключевые проблемы развития нанотехнологий 
..................................... 220 
23.8. Практический опыт наноструктурного изменения свойств  
материалов при ионно-лучевой обработке, как базового метода  
создания кластерного оборудования 
................................................................. 223 
23.8.1. Изменение структурно-химических свойств материалов 
............... 223 
23.8.2. Влияние ионно-лучевой обработки на металлы .............................. 226 
24. Основные неметаллические материалы, их свойства 
............................. 228 
24.1. Классификация и свойства пластмасс 
...................................................... 228 
25. Резиновые материалы. Состав и классификация резин 
......................... 243 
25.1. Резины общего назначения ....................................................................... 245 
Библиографический список 
................................................................................ 250 
26. Основы металловедения сварки .................................................................. 253 
26.1. Испытания сварных соединений и изделий ............................................ 254 
26.1.1. Способы испытания при растягивающем нагружении ................... 254 
26.1.2. Испытание на прочность сварного соединения на изгиб ............... 255 
26.2. Технологичность сварных соединений 
.................................................... 256 
26.2.1. Понятие о технологичности сварных конструкций ........................ 256 
26.2.2. Выбор основного металла .................................................................. 256 
26.2.2.1. Свариваемость сталей 
.................................................................... 260 
26.2.2.2. Свариваемость алюминия и алюминиевых сплавов .................. 262 
26.2.2.3. Свариваемость титана и его сплавов ........................................... 262 
26.2.2.4. Свариваемость меди и её сплавов ................................................ 263 
26.2.3. Типы и рациональная форма сварных соединений ......................... 263 
26.2.4. Выбор формы свариваемых элементов и рационального  
распределения сварных соединений в конструкции ................................... 267 
26.2.5. Выбор способа сварки ........................................................................ 270 
26.2.6. Выбор способа уменьшения сварочных деформаций  
и напряжений ................................................................................................... 272 
9 


26.2.7. Выбор баз под сварку и простановка размеров  
на чертежах сварных сборочных единиц и конструкций ........................... 274 
26.2.8. Выбор термической обработки после сварки .................................. 275 
26.2.9. Условные изображения и обозначения швов  
сварных соединений 
........................................................................................ 276 
26.3. Термическая обработка сварных соединений ......................................... 279 
26.3.1. Виды термической обработки 
............................................................ 281 
26.3.2. Режимы термической обработки ....................................................... 283 
26.3.3. Способы нагрева при термической обработке 
................................. 284 
26.3.4. Влияние отклонений от режимов термической обработки  
на качество сварных соединений 
................................................................... 287 
26.3.5. Контроль качества термической обработки ..................................... 288 
Библиографический список 
................................................................................ 290 
Заключение ............................................................................................................. 292 
Библиографический список ................................................................................ 293 
 
Электронные материалы: 
https://infra-e.ru/products/materialsandmetalscienceofwelding              пароль: infra-e 
27. Методические рекомендации для выполнения лабораторных работ 
27.1. Лабораторная работа № 1. Изготовление отливок в песчаных формах 
27.2. Лабораторная работа № 2. Изучение геометрии и конструкции  
токарных резцов 
27.3. Лабораторная работа № 3. Анализ кинематической схемы цепи главного 
движения токарного станка 
27.4. Лабораторная работа № 4. Обработка наружной резьбы и определение 
штучного времени 
27.5. Лабораторная работа № 5. Холодная листовая штамповка 
27.6. Лабораторная работа № 6. Ручная дуговая сварка металлическим  
электродом с покрытием 
27.7. Лабораторная работа № 7. Определение коэффициентов расплавления, 
наплавки и потерь на угар и разбрызгивание при ручной дуговой сварке 
27.8. Лабораторная работа № 8. Дуговая сварка в среде защитных газов  
27.9. Лабораторная работа № 9. Электроискровое легирование и измерение 
шероховатости покрытий 
27.10. Лабораторная работа № 10. Определение характеристик  
сопротивления сварного соединения разрушению при наличии  
трещиноподобных концентратов 
10