Перспективные направления развития материалов и методов их обработки

 
 
Е. В. Маркова, О. В. Чечуга 
 
 
 
 
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ 
РАЗВИТИЯ МАТЕРИАЛОВ  
И МЕТОДОВ ИХ ОБРАБОТКИ 
 
 
 
Учебное пособие 
 
2-е издание, исправленное и дополненное 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 
 
 

УДК 621.79 
ББК 34.6 
М25 
 
 
 
Рецензент: 
кандидат технических наук, доцент А. В. Сидоркин 
 
 
 
 
Маркова, Е. В. 
М25   
Перспективные направления развития материалов и методов их обработки : учебное пособие / Е. В. Маркова, О. В. Чечуга. – 2-е изд., испр. и 
доп. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. – 148 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0952-0 
 
Изложены основные теоретические сведения о методах упрочнения поверхности деталей машин, а также о современных методах обработки материалов, включая прогрессивные технологии литья, обработки металлов давлением, 
технологии резки металлов. Дана информация по классификации, видам, структуре, получению, обработке и применению большого класса современных перспективных материалов, к которым относятся композиционные, порошковые, 
наноструктурные, аморфные, синтетические сверхтвердые. 
Для студентов машиностроительных специальностей высших учебных заведений.  
 
УДК 621.79 
ББК  34.6 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0952-0 
” Маркова Е. В., Чечуга О. В., 2022 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
 
 
2 
 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
Введение ..................................................................................................................... 5  
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ..................... 7  
1.1. Классификация современных машиностроительных материалов 
............ 7  
1.2. Создание и применение материалов с наноструктурой ............................. 8  
1.2.1. Классификация наноматериалов ............................................................... 8  
1.2.2. Основные области применения наноматериалов 
..................................... 9 
1.2.3. Основные технологии получения наноматериалов ............................... 13  
1.3. Перспективы применения керамических материалов 
.............................. 15  
1.4. Разработка современных композиционных материалов 
.......................... 22  
1.5. Порошковые материалы .............................................................................. 29 
1.6. Сверхтвердые материалы ............................................................................ 33 
ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ  
ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ 
............................................................................... 36 
2.1. Прогрессивные технологии литья .............................................................. 37  
2.2. Современные технологические процессы обработки металлов 
давлением ................................................................................................................. 39 
2.2.1. Разработка новых технологий пластической деформации ................... 40 
2.2.2. Сравнение технологических возможностей современных  
методов обработки металлов давлением .............................................................. 47 
2.3. Передовые технологии резки металлов ..................................................... 48 
2.4. Технологии производства порошковых материалов ................................ 55 
2.5. Электрофизические методы обработки металлов .................................... 71  
2.5.1. Электроэрозионный метод ....................................................................... 73 
2.5.2. Электромеханическая обработка 
............................................................. 75  
2.5.3. Лучевые методы обработки металлов 
..................................................... 77 
2.5.4. Плазменная обработка материалов ......................................................... 80 
2.6. Электрохимические методы обработки металлов .................................... 80  
2.6.1. Поверхностные методы ............................................................................ 81 
2.6.2. Размерные методы обработки 
.................................................................. 82 
2.7. Комбинированные методы обработки материалов .................................. 84  
2.8. Основные методы ионной обработки материалов 
.................................... 85  
2.8.1. Формообразование асферических поверхностей 
................................... 86  
2.8.2. Применение ионной обработки для создания рельефа 
поверхности ............................................................................................................. 89  
2.9. Криогенная обработка металлорежущего инструмента........................... 93 
2.10. Перспективные направления лазерной обработки материалов ............ 96 
ГЛАВА 3. ПРАКТИКУМ ....................................................................................... 98 
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ  
И СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 
................................... 98 
3 
 

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА  
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОТЫ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ  
МАТЕРИАЛА ПРИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ 
.................. 107  
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 3. РАСЧЕТ СТРУКТУРНОГО КРИТЕРИЯ  
ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОВЕРХНОСТНО-УПРОЧНЕННОГО СЛОЯ  
МАТЕРИАЛА ........................................................................................................ 110  
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 4. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ  
МОДИФИЦИРОВАНИЯ. ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ  
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 
........................................................ 115 
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ  
ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МАТЕРИАЛА  
ПОСЛЕ УПРОЧНЕНИЯ ....................................................................................... 117 
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 6. РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ  
МАТЕРИАЛОВ ПРИ УПРУГОМ И ПЛАСТИЧЕСКОМ  
КОНТАКТИРОВАНИИ 
........................................................................................ 120 
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 7. ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ 
СИНТЕТИЧЕСКИХ СВЕРХТВЕРДЫХ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ  
МАТЕРИАЛОВ ..................................................................................................... 123 
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 8. ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ  
ОСОБЕННОСТЕЙ И СВОЙСТВ НАНОМАТЕРИАЛОВ ................................ 125 
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 9. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ  
ИЗДЕЛИЙ ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ.  
ПЛАСТМАССЫ .................................................................................................... 127 
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 10. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ  
ИЗДЕЛИЙ ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ. РЕЗИНЫ ............... 130 
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 11. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ  
ДЛЯ ИНСТРУМЕНТОВ, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ АКТИВНОЙ  
КОРРОЗИОННОЙ СРЕДЫ .................................................................................. 132  
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ............................................. 136 
ПРИЛОЖЕНИЕ ..................................................................................................... 139 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Новые задачи по повышению долговечности и надежности деталей, работающих при высоких скоростях, нагрузках и температурах, в условиях влияния абразивного, коррозионного и другого воздействия агрессивной среды, могут быть 
решены за счет создания специальных материалов, развития и внедрения в производство новейших методов обработки.  
Анализ развития науки и техники в настоящее время показывает, что в мире 
активно развиваются направления, связанные с разработкой новых материалов, 
которыми являются интеллектуальные материалы, нанокристаллические и 
аморфные материалы, интерметаллиды и др. Эти материалы имеют отличные 
служебные характеристики и повышают работоспособность и надежность конструкций и изделий. В настоящее время широко применяются в качестве инструментальных материалов композиционные, порошковые, сверхтвердые и другие 
материалы, обработка которых обладает рядом особенностей. В период активного развития техники и технологий будущему специалисту необходимо знать 
весь спектр этих процессов для грамотного выбора того или иного технологического процесса обработки различных материалов.  
Современной и более прогрессивной считается такая технология, которая 
обеспечивает более качественный продукт при меньших удельных затратах  
на него ресурсов. В настоящее время в технологическом процессе обработки материалов применяются самые различные методы, включающие электрофизические, электрохимические, лазерные, плазменные, ионные и др. Для изготовления 
инструментов применяют композиционные, порошковые, сверхтвердые и другие 
материалы, обработка которых обладает рядом особенностей. В период активного развития техники и технологий будущему специалисту необходимо знать 
весь спектр этих процессов для грамотного выбора того или иного технологического процесса обработки различных материалов.  
Структура пособия сочетает в себе текстовой, а также графический и табличный материал, который иллюстрируя текст, облегчает восприятие сложных 
теоретических вопросов. Для самоконтроля усвоения учебного материала предлагаются практические работы, которые позволяют успешно изучать такие дисциплины как «Основные направления отечественного и зарубежного развития 
высокотехнологических материалов и методов их обработки», «Процессы и операции формообразования», «Современные проблемы технологии и нанотехнологии в машиностроении» и др. 
Практикум, приведенный в данном пособии, представляет собой сборник 
теоретических сведений и заданий для выполнения практических работ по дисциплинам «Основные направления отечественного и зарубежного развития высокотехнологических материалов и методов их обработки» и «Современные проблемы технологии и нанотехнологии в машиностроении» для магистров, обучающихся по направлению 15.04.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств». 
 
5 
 

В ходе выполнения практических работ студентам необходимо:  
– провести поиск сведений в технической литературе по заданной теме,  
– понять текстовое, графическое и численное представление информации,  
– провести анализ полученной информации,  
– обобщить имеющиеся данные,  
– логически построить ответы на вопросы,  
– использовать фактические данные для подтверждения своего заключения 
(например, механические характеристики материалов),  
– построить графические зависимости по найденным числовым данным,  
– грамотно и чётко формулировать свои мысли и окончательный вывод. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 
 

ГЛАВА 1 
 
СОВРЕМЕННЫЕ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
 
1.1. Классификация современных машиностроительных  
материалов 
 
В настоящее время в машиностроении применяется большое количество материалов, которые могут быть подразделены на группы по ряду признаков. Чаще 
всего машиностроительные материалы подразделяются на три основные группы – 
металлические, неметаллические и композиционные материалы. В целом общая 
классификация материалов, применяемых в машиностроении, выглядит следующим образом. 
Металлические материалы 
Материалы на основе железа: 
– Конструкционные стали и сплавы. (Углеродистые и легированные конструкционные стали, стали для холодной штамповки, цементируемые и нитроцементуемые, легированные стали, стали с повышенной обрабатываемостью резанием).  
– Стали с особыми свойствами (мартенситно-стареющие высокопрочные 
стали. высокопрочные стали с высокой пластичностью – ТРИП- или ПНП-стали, 
износостойкие стали).  
– Стали для изготовления определенных узлов и деталей (рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые стали).  
– Стали для применения при высоких температурах и в агрессивных средах 
(коррозионно-стойкие и жаростойкие и жаропрочные стали).  
– Стали для изготовления инструмента (режущего, штампового, измерительного).  
– Чугуны (серые, ковкие, высокопрочные, антифрикционные).  
Цветные металлы и сплавы на их основе: 
– Сплавы на основе алюминия (литейные, деформируемые, антифрикционные).  
– Сплавы на основе магния.  
– Сплавы на основе титана.  
– Сплавы на основе меди.  
– Тугоплавкие металлы и их сплавы.  
– Антифрикционные подшипниковые сплавы основе легкоплавких металлов (баббиты). 
 Стали и сплавы с особыми свойствами: 
– Твердые сплавы.  
– Спеченные сплавы на металлической основе (порошковые материалы).  
 
7 
 

Неметаллические материалы 
– Пластические массы (термопластичные, термореактивные, газонаполненные).  
– Материалы на основе углерода.  
– Резиновые материалы.  
– Неорганическое стекло.  
– Керамические материалы.  
Композиционные материалы 
– Композиционные материалы с полимерной матрицей.  
– Металлические композиционные материалы.  
– Керамические композиционные материалы.  
– Композиционные материалы на основе углерода.  
– Гибридные композиционные материалы. 
 
1.2. Создание и применение материалов с наноструктурой 
 
1.2.1. Классификация наноматериалов 
 
В последнее время чрезвычайно перспективным направлением является разработка и применение материалов с наноструктурой. Классификация наноматериалов представлена на рис. 1. На рисунке отчетливо видны несколько категорий 
наноматериалов. 
 
 
Рисунок 1 – Классификация наноматериалов 
8 
 

Первая категория включает материалы в виде твердых тел, размеры которых 
в одном, двух или трех пространственных координатах не превышают 100 нм.  
К таким материалам можно отнести наноразмерные частицы (нанопорошки), 
нанопроволоки и нановолокна, очень тонкие пленки (толщиной менее 100 нм), 
нанотрубки и т. п. Такие материалы могут содержать от одного структурного 
элемента или кристаллита (для частиц порошка) до нескольких их слоев  
(для пленки). В связи с этим первую категорию можно классифицировать  
как наноматериалы с малым числом структурных элементов или наноматериалы 
в виде наноизделий.  
Вторая категория включает в себя материалы в виде малоразмерных изделий с характеризующим размером в примерном диапазоне 1 мкм…1 мм. Обычно 
это проволоки, ленты, фольги. Такие материалы содержат уже значительное 
число структурных элементов и их можно классифицировать как наноматериалов с большим числом структурных элементов (кристаллитов) или наноматериалы в виде микроизделий.  
Третья категория представляет собой массивные (или иначе объемные) 
наноматериалы с размерами изделий из них в макродиапазоне (более нескольких 
мм). Такие материалы состоят из очень большого числа наноразмерных элементов (кристаллитов) и фактически являются поликристаллическими материалами 
с размером зерна 1…100 нм.  
Вторая и третья категории наноматериалов подпадают под более узкие 
определения нанокристаллических или нанофазных материалов.  
К четвертой категории относятся композиционные материалы, содержащие 
в своем составе компоненты из наноматериалов. При этом в качестве компонентов могут выступать наноматериалы, отнесенные к первой категории (композиты с наночастицами и/или нановолокнами, изделия с измененным ионной имплантацией поверхностным слоем или тонкой пленкой) и второй категории 
(например, композиты, упрочненные волокнами и/или частицами с наноструктурой, материалы с модифицированным наноструктурным поверхностным слоем 
или покрытием). Можно выделить также композиционные материалы со сложным использованием нанокомпонентов. 
 
1.2.2. Основные области применения наноматериалов 
  
На рис. 2 схематично представлены основные области применения наноматериалов в настоящее время. 
Конструкционные материалы 
Наноструктурные объемные материалы отличаются большой прочностью 
при статическом и усталостном нагружении, а также твердостью по сравнению 
с материалами с обычной величиной зерна. Поэтому основное направление их 
использование в настоящее время – это использование в качестве высокопрочных и износостойких материалов. Композиты армированные углеродными нановолокнами и фуллеренами рассматриваются как перспективные материалы  
9 
 

для работы в условиях ударных динамических воздействий, в частности  
для брони и бронежилетов. 
 
 
Рисунок 2 – Основные области применения наноматериалов  
и нанотехнологий 
 
Инструментальные материалы 
Инструментальные сплавы с нанозерном являются как правило более стойкими по сравнению с обычным структурным состоянием. Нанопорошки металлов (рис. 3) с включениями карбидов используют в качестве шлифующего и полирующего материала на конечных стадиях обработки полупроводников и диэлектриков.  
 
 
 
а 
 
 
 
 
 
б 
Рисунок 3 – Нанопорошок Į-Al2O3 с низким содержанием железа  
0,02 вес. % (а), износостойкая наноструктурная керамика из Į-Al2O3 (б) 
 
Производственные технологии 
Важным и перспективным в настоящее время является использование наноматериалов в качестве компонентов композитов самого разного назначения. Добавление нанопорошков (подшихтовка) к обычным порошкам при производстве 
сталей и сплавов методами порошковой металлургии позволяет снижать пористость изделий, улучшать комплекс механических свойств. Проявление эффекта 
сверхпластичности в наноструктурных сплавах алюминия и титана делает перспективным их применение для изготовления деталей и изделий сложной формы 
10