Материалы и их технологии

МАТЕРИАЛЫ И ИХ 
ТЕХНОЛОГИИ

В 2 частях

Часть 1

Под редакцией В.А. Горохова

2021

Москва
 «ИНФРАМ»

В.А. ГОРОХОВ
Н.В. БЕЛЯКОВ
А.Г. СХИРТЛАДЗЕ

Допущено
Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации 
по образованию в области автоматизированного машиностроения в качестве учебника 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки 
15.03.01 и 15.03.02 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных 
производств», «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных 
производств», «Автоматизированные технологии и производства»

Рекомендовано
Учебно-методическим объединением вузов Республики Беларусь 
по образованию в области автоматизации технологических процессов, производств 
и управления в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлениям «Технология, оборудование и автоматизация 
машиностроения», «Автоматизированные технологии и производства», 
«Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»

УДК [621.7.+621.9](075.8)
ББК 34я73
 
Г70

Горохов, В.А.
Материалы и их технологии. В 2 ч. Ч. 1 : учебник / 
В.А. Горохов, Н.В. Беляков, А.Г. Схиртладзе ; под ред. 
В.А. Горохова — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 589 с. : ил. — 
(Высшее образование: Бакалавриат).

ISBN 978-5-16-009531-8 (ИНФРА-М, общий, print).
ISBN 978-5-16-009529-5 (ИНФРА-М, ч. 1, print).
ISBN 978-5-16-100742-6 (ИНФРА-М, online).

Приведены сведения по материаловедению металлов и неметаллов, включая наноматериалы. Рассмотрены основы порошковой металлургии, литья, термической обработки, а также различные способы обработки заготовок. Описаны методика проектирования заготовок и способы обеспечения точности и качества производства 
деталей, способы повышения их надежности и эксплуатационных 
свойств в режиме ресурсосбережения и экономической эффективности производства.
Для студентов технических вузов. Будет полезен учащимся колледжей, а также слушателям системы повышения квалификации и 
переподготовки кадров.

УДК [621.7.+621.9](075.8)
ББК 34я73

Г70

 
© Горохов В.А., Беляков Н.В., 
Схиртладзе А.Г., 2014
 
© ООО «Новое знание», 2014

ISBN 978-5-16-009531-8 (ИНФРА-М, общий, print).
ISBN 978-5-16-009529-5 (ИНФРА-М, ч. 1, print).
ISBN 978-5-16-100742-6 (ИНФРА-М, online).

Р е ц е н з е н т ы:
профессор кафедры «Технология конструкционных материалов» Полоцкого государственного университета, доктор технических наук, профессор 
В.П. Иванов;
директор Института технологии металлов НАН Беларуси, академик, 
доктор технических наук, профессор Е.И. Марукович

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

Оглавление

Предисловие......................................................................................................................9

Глава 1. Промышленные материалы и их строение.......................................12
1.1..Классификация.конструкционных.материалов.........................................12
1.1.1..Разновидности.и.назначение.материалов.........................................12
1.1.2..Черные.металлы.и.их.маркировка......................................................14
1.1.3..Цветные.металлы.и.их.маркировка....................................................18
1.1.4..Неметаллические.материалы.................................................................23
1.2..Классификация.и.назначение.инструментальных.материалов............24
1.2.1..Стали.углеродистые,.легированные,.
быстрорежущие.и.их.маркировка........................................................24
1.2.2..Твердые.сплавы.и.их.маркировка........................................................31
1.2.3..Керамические,.алмазные.и.синтетические.
сверхтвердые.материалы,.их.маркировка.........................................32
1.2.4..Абразивные.материалы,.их.маркировка............................................35
1.3..Наноматериалы......................................................................................................38
1.3.1..Сущность.и.понятия.наноструктур.....................................................38
1.3.2..Средства.исследования.и.особенности.наноструктур..................42
1.4..Свойства.материалов,.методы.их.исследования.и.контроля................52
1.4.1..Разновидности.свойств.материалов....................................................52
1.4.2..Определение.свойств.материалов.статическими.методами.......57
1.4.3..Определение.свойств.материалов.динамическими..
методами........................................................................................................63
1.5..Кристаллическое.строение.металлов.и.их.кристаллизация..................66
1.5.1..Кристаллические.структуры.металлов..............................................66
1.5.2..Дефекты.строения.реальных.кристаллов.
и.нарушения.структуры...........................................................................72
1.5.3..Кристаллизация.металлов......................................................................77
1.5.4..Разновидности.диаграмм.состояния.двойных.сплавов.
и.их.связь.со.свойствами.металлов.....................................................78
1.6..Диаграммы.состояния.железоуглеродистых.сплавов..............................84
1.6.1..Структурные.составляющие.сплавов.и.превращения.
в.системе.железо.—.цементит.(Fe–Fe3C).........................................84
1.6.2..Взаимосвязь.кривых.охлаждения.
с.фазовыми.превращениями.в.сплавах..............................................92
1.6.3..Графитизация.в.сплавах.и.диаграмма.
стабильного.равновесия.железо.—.графит.......................................93
1.7..Термическая.обработка.сплавов.......................................................................94
1.7.1..Виды.термообработки.и.температурные.области.нагрева.
сплавов...........................................................................................................94

Оглавление
4

1.7.2..Разновидности.сталей.по.способам.упрочнения..
и.назначению...............................................................................................95
1.7.3..Перлитная,.бейнитная.и.мартенситная.области.превращения.
и.их.влияние.на.структуру.и.свойства.сталей................................97
1.7.4..Технология.закалки,.закаливаемость,.прокаливаемость.
и.поверхностная.закалка.сталей........................................................105
1.7.5..Технология.отжига.и.отпуска.стали,.их.назначение.................112
1.7.6..Термомеханическая.обработка.стали...............................................116
1.7.7..Химико-термическая.обработка.металлов.и.ее.влияние.
на.эксплуатационные.свойства.деталей.........................................117
1.8..Стали.и.сплавы.со.специальными.свойствами..
и.их.использование............................................................................................120
1.8.1..Влияние.легирующих.элементов.на.свойства.
железоуглеродистых.сплавов............................................................. 120
1.8.2..Классификация.сплавов.со.специальными.свойствами.
и.их.выбор.по.назначению.для.конкретных.условий.
эксплуатации.деталей............................................................................140
1.9..Порошковые.металлы.и.неметаллические.материалы,..
их.свойства............................................................................................................142
1.9.1..Порошковые.металлы.и.безотходные.технологии.
порошковой.металлургии....................................................................142
1.9.2..Полимеры,.их.свойства.и.применение............................................146
1.9.3..Номенклатура.пластических.масс.и.их.применение.................147
1.9.4..Резиновые.материалы,.их.свойства.и.применение....................151
1.10..Композиционные.материалы.и.их.компоненты...................................156
1.10.1..Назначение,.состав.и.свойства.композитов................................156
1.10.2..Макроструктура.упрочнителей,.методы.и.способы.
соединения.разнородных.материалов.в.композитах.................159
Вопросы и задания для самопроверки..................................................................163

Глава 2. Технологии металлургического производства.............................165
2.1..Теоретические.основы.и.материалы.доменного.производcтва..........165
2.1.1..Современное.металлургическое.производство............................165
2.1.2..Железные.руды,.флюсы,.топливо,.огнеупорные..
материалы..................................................................................................166
2.1.3..Обогащение.руд,.агломерация.и.окатывание,.
металлизация.окатышей....................................................................... 169
2.2..Производство.чугуна.........................................................................................173
2.2.1..Материалы.доменного.процесса........................................................173
2.2.2..Устройство.домны.и.протекающие.в.ней.процессы...................175
2.2.3..Процесс.восстановления.железа.из.руды......................................178
2.2.4..Постоянные.примеси.и.их.влияние.на.свойства.чугуна.......... 180

Оглавление
5

2.3..Производство,.разливка.и.рафинирование.стали.................................. 181
2.3.1..Сущность.передела.чугуна.в.сталь.и.ее.разливка...................... 181
2.3.2..Конвертерный.и.мартеновский.способы.производства..
стали.............................................................................................................184
2.3.3..Производство.стали.в.электропечах................................................190
2.3.4..Рафинирование.стали............................................................................ 194
2.3.5..Прямое.(внедоменное).восстановление.железа..........................196
2.4..Производство.цветных.металлов.................................................................. 197
2.4.1..Руды.цветных.металлов.и.их.обогащение.....................................197
2.4.2..Получение.меди.и.ее.рафинирование.............................................199
2.4.3..Металлургия.алюминия....................................................................... 205
2.4.4..Металлургия.магния.............................................................................. 208
2.4.5..Металлургия.титана............................................................................... 211
Вопросы и задания для самопроверки..................................................................214

Глава 3. Технологии формообразования отливок........................................216
3.1..Основы.литейного.производства.................................................................. 216
3.1.1..Сущность.изготовления.отливок......................................................216
3.1.2..Последовательность.операций.по.изготовлению..
разовых.форм............................................................................................219
3.1.3..Опоки,.стержни.и.модели.отливок..................................................221
3.1.4..Формовочные.и.стержневые.смеси.
и.их.круговорот.в.литейных.цехах...................................................223
3.1.5..Ручное.и.машинное.изготовление.разовых.форм......................227
3.1.6..Формообразование.стержней.и.их.сушка......................................231
3.2..Технология.подготовки.форм.и.металла.к.заливке,.
окончательная.обработка.отливок............................................................... 234
3.2.1..Сборка,.заливка,.выбивка.форм,.обрезка.и.очистка..
отливок........................................................................................................234
3.2.2..Проектирование.литниковых.систем.литейных.форм.............238
3.2.3..Подготовка.черных.металлов.к.заливке.в.формы......................241
3.2.4..Особенности.расплавления.и.изготовления.отливок.
из.цветных.металлов.............................................................................. 245
3.3..Специальные.виды.литья.в.разовые.формы............................................249
3.3.1..Разновидности.специальных.способов.литья..............................249
3.3.2..Литье.в.оболочковые.формы..............................................................250
3.3.3..Литье.по.выплавляемым.моделям....................................................252
3.3.4..Литье.по.газифицируемым.моделям...............................................255
3.4..Литье.в.постоянные.формы.и.средства.их.технологического.
оснащения..............................................................................................................258
3.4.1..Кокильное.литье...................................................................................... 258
3.4.2..Литье.под.давлением.............................................................................265

Оглавление
6

3.4.3..Центробежное.литье.............................................................................. 272
3.4.4..Другие.способы.литья.в.постоянные.формы...............................276
3.4.5..Особенности.технологий.литья.в.постоянные.формы.............279
Вопросы и задания для самопроверки..................................................................281

Глава 4. Технологии обработки металлов давлением (ОМД)................284
4.1..Теоретические.основы,.разновидности.и.средства..
оснащения.ОМД.................................................................................................284
4.1.1..Назначение.ОМД,.явления.при.пластическом.
деформировании.металлов.................................................................. 284
4.1.2..Нагрев.металла.при.горячей.ОМД..................................................288
4.1.3..Нагревательные.печи.и.устройства..................................................292
4.2..Прокатное.производство..................................................................................296
4.2.1..Сущность.процессов.прокатки.и.прокатные.станы...................296
4.2.2..Производство.основных.видов.проката..........................................302
4.3..Волочение.и.прессование................................................................................ 307
4.3.1..Волочение...................................................................................................307
4.3.2..Прессование..............................................................................................311
4.4..Ковка.......................................................................................................................313
4.4.1..Основные.операции.и.технологический.процесс.ковки..........313
4.4.2..Оборудование.для.ковки...................................................................... 317
4.5..Горячая.объемная.штамповка........................................................................320
4.5.1..Сущность.процесса.и.способы.объемной.штамповки...............320
4.5.2..Штамповка.на.молотах.и.прессах.....................................................323
4.5.3..Штамповка.на.горизонтально-ковочных.
и.специальных.машинах....................................................................... 331
4.6..Холодная.штамповка.........................................................................................335
4.6.1..Выдавливание.и.высадка.....................................................................335
4.6.2..Холодная.листовая.штамповка..........................................................336
4.6.3..Инструмент.и.оборудование.для.листовой.штамповки...........340
4.6.4..Отделочные.операции.и.контроль.качества.изделий................344
4.6.5..Новые.направления.ОМД................................................................... 345
4.7..Получение.заготовок.из.порошковых.материалов................................346
4.8..Изготовление.деталей.из.пластмасс............................................................350
4.8.1..Сведения.о.пластмассах,.применяемых.в.машиностроении.....350
4.8.2..Основные.виды.оборудования.для.изготовления.деталей.
из.пластмасс..............................................................................................352
4.8.3..Классификация.пресс-форм................................................................ 355
4.8.4..Устройство.пресс-форм.для.изготовления.
изделий.прессованием...........................................................................357
4.8.5..Устройство.пресс-форм.для.изготовления.армированных.
изделий........................................................................................................363

Оглавление
7

4.8.6..Пресс-формы.для.переработки.термопластов..............................365
4.8.7..Пресс-формы.для.изготовления.деталей.из.резины..................368
4.8.8..Устройства.для.обогрева.пресс-форм..............................................369
4.8.9..Основные.детали.пресс-форм............................................................371
4.9..Изготовление.деталей.из.композиционных.материалов.....................373
4.9.1..Характеристика.композиционных.материалов............................373
4.9.2..Изготовление.изделий.из.металлических.
композиционных.материалов.............................................................374
4.9.3..Изготовление.деталей.из.композиционных.
порошковых.материалов......................................................................376
Вопросы и задания для самопроверки..................................................................378

Глава 5. Технологии сварки, пайки и склеивания........................................380
5.1..Физические.основы,.способы.и.назначение.сварки,.
виды.сварочных.соединений..........................................................................380
5.1.1..Разновидности.и.назначение.сварки...............................................380
5.1.2..Классификация.способов.сварки,.сварных.соединений..
и.швов..........................................................................................................381
5.1.3..Физическая.сущность.образования.сварного.соединения......389
5.2..Способы.дуговой.сварки.плавлением......................................................... 394
5.2.1..Сущность.электродуговой.сварки.и.разновидности.швов......394
5.2.2..Способы.электродуговой.сварки.и.характеристика.швов.......400
5.2.3..Оборудование.для.дуговой.сварки...................................................405
5.2.4..Электроды.и.параметры.режима.дуговой.сварки.......................409
5.2.5..Дуговая.сварка.под.флюсом.и.электрошлаковая.сварка.........415
5.2.6..Дуговая.сварка.в.защитных.газах.и.другие.виды.сварки........ 422
5.2.7..Газовая.сварка.плавлением..................................................................432
5.3..Способы.сварки.давлением............................................................................. 437
5.3.1..Контактная.сварка.................................................................................. 437
5.3.2..Другие.способы.сварки.давлением...................................................448
5.4..Расчет.прочности.сварных.соединений..................................................... 454
5.5..Технологии.наплавки........................................................................................455
5.6..Технологические.процессы.пайки................................................................ 467
5.7..Технологические.процессы.склеивания..................................................... 475
5.8..Контроль.качества.сварки,.пайки.и.склеивания....................................481
5.9..Разновидности.покрытий.и.их.назначение..............................................488
Вопросы и задания для самопроверки..................................................................498

Глава 6. Проектирование загототовок для деталей с заданными 
точностью и микрогеометрией поверхностей................................................501
6.1..Выбор.и.обоснование.заготовки................................................................... 501
6.2..Методика.опытно-статистического.расчета.припусков....................... 508

Оглавление
8

6.3..Расчетно-аналитический.метод.определения.припусков.
на.обработку.различных.заготовок.............................................................. 514
6.4..Определение.уклонов.и.радиусов.закругления.отливок..
и.поковок...............................................................................................................532
6.5..Последовательность.разработки.чертежа.и.схемы.
технологического.процесса.изготовления.заготовки............................ 535
6.6..Пример.разработки.отливки.и.ее.чертежа................................................536
6.7..Геометрические.характеристики.технических.поверхностей............. 545
6.8..Регулярные.микрорельефы.и.их.разновидности....................................557
6.9..Влияние.микрогеометрии.поверхностей.и.состояния.
материалов.на.эксплуатационные.свойства.деталей............................562
Вопросы и задания для самопроверки..................................................................572

Словарь.терминов.......................................................................................................574

Список.использованных.источников..................................................................585

Предисловие

Общетехническая подготовка студентов является основой успешного изучения специальных дисциплин и становления инженеров-маши но строи те лей. Важное место в этом деле отводится учебно-ме то ди ческой литературе и прежде всего учебникам. Их разработкой занимались 
и занимаются многие российские и белорусские ученые-педагоги, среди 
которых можно назвать А.М. Дальского, Б.А. Кузьмина, Ю.М. Лахтина, 
О.С. Комарова, В.Н. Ковалевского, В.А. Белого и ряд других авторов. 
Нельзя умалить роль известных учебников в подготовке инженеровмашиностроителей, но справедливо заметить, что в ряде случаев они 
устарели и не отражают последних тенденций в создании новых материалов и прогрессивных технологий: нанокристаллических материалов, технологии производства и обработки материалов с новыми 
свойствами в наноструктурном диапозоне, микроскопного оборудования для производства материалов и построения деталей на атомномолекулярном уровне, четко выраженной направленности на энергоресурсосбережение производства и эксплуатации изделий, повышение 
их качества, надежности и конкурентоспособности на международном рынке. Существующие сегодня учебники и учебные пособия не 
отражают ГОСТ 24773–81 «Поверхности с регулярным микрорельефом. Классификация, параметры и характеристики», способы регуляризации рабочих поверхностей деталей машин и приборов с целью 
обеспечения, например, требуемых несущей способности и маслоемкости. Ведь каждые девять из десяти деталей работают в парах трения со смазыванием. Поэтому контактирующие поверхности деталей 
должны обладать, с одной стороны, хорошей контактной жесткостью 
за счет увеличения их несущей способности, с другой — достаточной 
маслоемкостью за счет впадин микрорель ефа, которые обеспечивают 
размещение и удержание на поверхностях смазочного материала, 
а также служат ловушками продуктов изнашивания материалов деталей в парах трения.
Предлагаемое издание является в какой-то степени воплощением 
ранее возникшей идеи создания комплексного учебника, удовлетворяющего общетехническим дисциплинам учебных планов многих машиностроительных специальностей, а в ряде случаев — единственным 
источником знаний будущих инженеров, поскольку некоторый материал этих дисциплин на старших курсах обучения углубленно не рассматривается.
Оно отразило последние достижения науки, технологии, техники, 
производства, результаты собственных исследований авторов, опро

Предисловие
10

бированные.в.учебном.процессе.авторские.методики,.объединил.в.себе.
материалы.учебников,.учебных.пособий.и.учебно-методических.разработок,.которые.признаны,.изданы.и.неоднократно.переизданы.в.Беларуси.и.России.и.успешно.используются.во.втузах.этих.стран.
Данное.издание.не.только.систематизирует.информацию,.содержащуюся.в.других.пособиях,.но.и.уточняет.и.дополняет.ее..Так,.в.него.
включены.разделы,.посвященные

ˆ
ˆ вибрационной.обработке.поверхностным.пластическим.деформированием;

ˆ
ˆ проектированию. заготовок. для. получения. деталей. заданных.
точности.и.микрогеометрии.поверхностей;

ˆ
ˆ наноструктурным.материалам,.их.технологиям.и.использованию;

ˆ
ˆ сталям.и.сплавам.со.специальными.свойствами.и.их.легирующим.элементам;

ˆ
ˆ точности,.геометрическим.характеристикам.рабочих.поверхностей.деталей.с.описанием.микрогеометрии.в.виде.регулярных.микрорельефов.(РМР).по.ГОСТ.24773–81;

ˆ
ˆ влиянию. микрогеометрии. рабочих. поверхностей. деталей. на.
важнейшие.эксплуатационные.свойства.деталей.и.соединений;

ˆ
ˆ комбинированным. процессам. обработки. и. расчетам. параметров.режима.и.инструментов.при.отделочно-упрочняющей.обработке.
ППД;

ˆ
ˆ свойствам.и.размерным.эффектам.наноматериалов.и.др.
Издание.имеет.комплексную.направленность.и.призвано.формировать. у. студентов-машиностроителей. инженерное. мировоззрение.
и.мышление..Учебник.содержит.информацию.о.свойствах,.применении.
и.производству.черных.и.цветных.металлов.и.их.сплавов,.неметаллических.материалов,.включая.наноструктурные.материалы;.технологиях.формообразования.отливок,.машиностроительных.профилей.и.поковок,.включая.нанотехнологии;.методах.термообработки.металлов.
и.обеспечения.сварных,.паяных.и.клеевых.соединений;.об.обработке.
заготовок.резанием,.поверхностным.пластическим.деформированием,.
электрофизико-химическим,. плазменным,. лучевым. и. импульсным.
воздействием;. о. средствах. технологического. оснащения. различных.
производств;. обеспечении. требуемых. точности,. качества. отделки.
и. эксплуатационных. свойств. деталей,. надежности,. ресурсосбережения.производства.и.конкурентоспособности.изделий.отечественнных.
машино-.и.приборостроения.
По.сравнению.с.существующими.данный.учебник.отличается.большей.информативностью.и.наглядностью..Он.насыщен.разно.образным.