Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Материаловедение

Учебное пособие для вузов
Покупка
Основная коллекция
Артикул: 173900.10.01
Доступ онлайн
572 ₽
от 486 ₽
В корзину
Изложены основы материаловедения, закономерности формирования строения материалов при различных технологических процессах: кристаллизации, пластической деформации, термической обработке, поверхностной обработке. Особое внимание уделено фазовым превращениям в твердом состоянии, механизмам упрочнения, являющимся основой для получения заданного комплекса свойств материалов. Конструкционные стали классифицированны по основному свойству (уровень прочности, износостойкости, коррозионной стойкости и т.п.). Сплавы на основе цветных металлов классифицированы по элементам основы. Представлены данные справочного характера, касающиеся области применения широкого круга сплавов, их технологических и эксплуатационных свойств, оптимальных режимов термической обработки. Для студентов технических университетов, обучающихся по машиностроительным направлениям: бакалавров, магистров; специалистов.
Материаловедение : учебное пособие для вузов / Л.В. Тарасенко, С.А.Пахомова, М.В. Унчикова, С.А. Герасимов ; под ред. Л.В. Тарасенко.— Москва : ИНФРА-М, 2022. — 475 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). - ISBN 978-5-16-004868-0. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1943586 (дата обращения: 20.04.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Москва
ИНФРА-М
2022

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Л.В. Тарасенко, С.А. Пахомова, 
М.В. Унчикова, С.А. Герасимов

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ 

Допущено научно-методическим советом 
по материаловедению и технологии 
конструкционных материалов Министерства образования 
и науки РФ в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по машиностроительным направлениям

Материаловедение : учебное пособие для вузов / Л.В. Тарасенко, С.А. Па-
хомова, М.В. Унчикова, С.А. Герасимов ; под ред. Л.В. Та расенко. — 
Москва : ИНФРА-М, 2022. — 475 с. — (Высшее образование: 
Бакалавриат).

ISBN 978-5-16-004868-0 (print)
ISBN 978-5-16-110659-4 (online)
Изложены основы материаловедения, закономерности формиро-

вания строения материалов при различных технологических процессах: 
кристаллизации, пластической деформации, термической обработке, 
поверхностной обработке. Особое внимание уделено фазовым превра-
щениям в твердом состоянии, механизмам упрочнения, являющимся 
основой для получения заданного комплекса свойств материалов. 
Конструкционные стали классифицированны по основному свойству 
(уровень прочности, износостойкости, коррозионной стойкости и т.п.). 
Сплавы на основе цветных металлов классифицированы по элементам 
основы. Представлены данные справочного характера, касающиеся 
области применения широкого круга сплавов, их технологических и экс-
плуатационных свойств, оптимальных режимов термической обработки.

Для студентов технических университетов, обучающихся по маши-

ностроительным направлениям: бакалавров, магистров; специалистов.

УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3я73

М34

УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3я73

М34

Р е ц е н з е н т ы: 
В.М. Матюнин, докт. тех. наук, профессор кафедры «Материаловеде-
ние» Московского Энергетического института (технического универ-
ситета) (МЭИ);
И.С. Белашова, докт. тех. наук, профессор кафедры «Металловедение 
и термическая обработка» Московского автомобильно-дорожного го-
сударственного технического университета (МАДИ)

© Коллектив авторов,  2012

ISBN 978-5-16-004868-0 (print)
ISBN 978-5-16-110659-4 (online)

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие написано в соответствии с программой дисцип-

лины «Материаловедение», преподаваемой для студентов высших 
учебных заведений, обучающихся по машиностроительным направ-
лениям. Материаловедение — наука о строении материалов, о спосо-
бах управления этим строением и о связи строения со свойствами.

Авторы излагали учебный материал, придерживаясь традиции 

учебника «Материаловедение» под ред. Б.А. Арзамасова, в котором 
классификация материалов дается в соответствии с основными свой-
ствами.

В то же время в учебном пособии усилены практическая направ-

ленность материаловедения и логическая связь между строением 
материалов и требуемыми свойствами. С этой целью уже в разделе I 
дается развернутое представление о том, в каких условиях работают 
различные детали из конструкционных материалов и какие много-
образные механические и физико-химические свойства от них тре-
буются, такие как циклическая прочность, износостойкость, ударная 
вязкость, жаропрочность, коррозионная стойкость и т.п. Студенты 
знакомятся с триадой, составляющей суть дисциплины Материало-
ведение: «строение материала — способы управления этим строени-
ем — связь строения со свойствами».

Цель настоящего учебного пособия — научить будущих специа-

листов различных конструкторских специальностей пониманию, 
каким образом возможно использовать внутренние резервы материала 
для получения заданного комплекса свойств, а также — разбираться 
в большом количестве групп и классов материалов, в их марках.


Современное материаловедение характеризуется существованием 

большого количества сплавов на различных основах и расширением 
номенклатуры конструкционных материалов, в том числе за счет 
полимерных материалов, керамик и композиционных материалов на 
их основе. В связи с этим авторы сочли необходимым сделать разделом, 
предваряющим традиционное описание строения металлов, — 
раздел, посвященный единому понятию, объединяющему все виды 
материалов, — типу химической связи. При этом авторы опирались 
на ряд учебных изданий проф. О.С. Сироткина (Казанский государственный 
технический университет), который развивает единую 
теорию строения материальных объектов.

Учебное пособие включает разделы, традиционные для учебников 

«Материаловедение»: строение материалов, формирование структуры 
металлов и сплавов на этапах кристаллизации, деформирования 
и термообработки; виды и группы конструкционных материалов.

В то же время последовательность изложения теоретических разделов, 
таких как кристаллизация, деформация, диаграммы состояния, 
фазовые превращения в твердом состоянии, — изменена по 
сравнению с традиционными учебниками по материаловедению. 
Такое изменение основано на использовании опыта построения 
учебников и монографий Г. Готтштайна «Физико-химические основы 
материаловедения»; М.И. Гольдштейна, В.С. Литвинова, 
Б.М. Бронфина «Металлофизика высокопрочных сплавов»; Г. Шульце «
Металлофизика», Б. Чалмерса «Физическое металловедение»; 
С.В. Грачева, В.Р. Бараза, А.А. Богатова, В.П. Швейкина «Физическое 
металловедение».

В разделе III авторы сочли необходимым дать уточнение понятию 

«структура», дать обоснование появлению в металле различных несовершенств (
дефектов) и дать информацию о строении последовательно, 
с точки зрения возможностей приборов, применяемых для 
исследования: макроструктура, микроструктура (световой микроскоп), 
микроструктура тонкая (электронный микроскоп).

Отличительной чертой учебного пособия в части, касающейся 

фазовых превращений и диаграмм состояния, является разделение 
превращений в твердо-жидком состоянии (кристаллизация) и в твердом — 
с соответствующим описанием диаграмм состояния. Это сделано 
по нескольким причинам. Во-первых, эти две группы превращений 
имеют свои особенности; во-вторых, диаграммы состояния 
не являются чем-то самостоятельным, а представляют собой только 
графическое отражение всех тех превращений, которые имеют место 
в материалах. В связи с эти студентам сначала необходимо дать 
информацию о самих превращениях, а затем — знакомить с теми 
диаграммами состояния, которые их отражают. Особенностью изложения 
информации о твердофазных превращениях в сплавах является 
разделение их на равновесные и неравновесные. Это позволяет 
в разделе о термообработке не вдаваться в подробности превращений, 
а только констатировать тот или иной их вид.

Авторы посчитали необходимым повторить в учебном пособии 

положения о мартенситных превращениях, впервые изложенные 
в учебнике M.Е. Блантера «Теория термической обработки», 1987 г., 
но до сих пор не используемые в учебных изданиях. Авторы подчеркнули, 
что мартенситное превращение является общим для многих 
сплавов и соединений, как полиморфное, сдвиговое, бездиффузи-
онное. А конечные свойства мартенсита, который в сплавах являет-
ся твердым раствором, зависят от нескольких факторов: системы 
легирования, типа твердого раствора — замещения или внедрения, 
и от того, является ли он пересыщенным или непересыщенным.

Связующим разделом между теоретической частью, описываю-

щей фазовые и структурные превращения, и практической частью, 

описывающей виды термообработки и группы материалов, является 
раздел «Механизмы упрочнения материалов», где рассмотрены 
и формализованы как механизмы торможения дислокаций в сплавах, 
так и способы упрочнения материалов высокомодульными и высо-
котвердыми фазами.

Конструкционные материалы классифицированы по двум при-

знакам: сплавы на основе черных металлов (стали и чугуны) — по 
основным механическим и коррозионным свойствам; сплавы на ос-
нове цветных металлов — по химическим элементам (алюминий, 
титан, медь, никель, олово, свинец).

В учебном пособии не рассматриваются материалы приборо-

строения (с особыми физическими свойствами), а также сплавы на 
основе магния и бериллия.

С целью облегчения восприятия студентами сложных структур-

ных и фазовых превращений, происходящих в материалах во время 
кристаллизации, деформирования, термической обработки, — при 
изложении курса использованы многочисленные схемы, формулы, 
логические связки.

В учебном пособии приведен большой иллюстративный матери-

ал, помогающий получить представление о зеренной структуре спла-
вов, о дислокациях, о промежуточных фазах, о микроструктуре ста-
лей после различных режимов термообработки.

Каждый раздел учебного пособия снабжен ключевыми положе-

ниями и вопросами для самопроверки. Ключевые положения фак-
тически представляют собой «открытые» вопросы типа «что это 
такое?»; а вопросы для самопроверки представляют собой «закры-
тые» вопросы типа «почему?», «что будет, если...», «каким обра-
зом?». Ключевые положения — это то, что студент должен запом-
нить. Вопросы для самопроверки активизируют сознание студен-
тов, стимулируя поиски связи между строением материалов и их 
свойствами.

Разделы III и VIII написаны совместно проф. Л.В. Тарасенко 

и доц. М.В. Унчиковой; часть вторая написана совместно 
доц. С.А. Пахомовой, проф. Л.В. Тарасенко, проф. С.А. Герасимо вым, 
разделы IX–X написаны совместно доц. С.А. Пахомовой 
и проф. Л.В. Тарасенко. Остальные разделы написаны проф. Тара-
сенко Л.В., ею же осуществлено и научное редактирование.

Авторы признательны проф. А.С. Помельниковой за помощь 

в написании раздела XI «Термическая обработка сплавов», 
проф. В.С. Кра пошину за помощь в написании главы 12 «Виды по-
луфабрикатов, получаемых при различных скоростях затвердева-
ния». Авторы благодарят профессоров и доцентов кафедры Мате-
риаловедение Московского государственного технического уни-
верситета им. Н.Э. Баумана, профессора кафедры Металловедение 

Уральского государственного технического университета — УПИ 
В.Р. Бараза за обсуждение разделов учебного пособия и критичес-
кие замечания.

Искреннюю благодарность авторы выражают рецензентам 

проф. В.М. Матюнину, проф. И.С. Белашовой, взявшим на себя труд 
внимательно ознакомиться с представленной рукописью и сделав-
шим много ценных замечаний.

Условные обозначения

Обозначение
Наименование величины
Размерность

sв
Предел прочности (временное сопротивление разрыву)
МПа

sт, s0,2
Предел текучести
МПа

s0,05

Предел упругости (напряжение, вызывающее 0,05% 
остаточной деформации)
МПа

s–1

Предел выносливости при испытании на изгиб с кручением 
с симметричным циклом нагружения
МПа

τ
st  
Предел длительной прочности
МПа

ε τ
s /
t
Предел ползучести
МПа

К1с
Критический коэффициент вязкости разрушения
МПам1/2

Есв
Энергия связи
кДж/моль

Е
Модуль нормальной упругости
ГПа

G
Модуль сдвига
ГПа

∆G
Свободная энергия Гиббса
кДж

F
Энергия Гемгольца (термодинамический потенциал)
кДж

НВ
Твердость по Бринелю
ед.

HRC
Твердость по Роквеллу
ед.

HV
Твердость по Виккерсу
ед.

KCU,
KCV

Ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами 
соответственно вида U и V
кДж/м2

d
Относительное удлинение
%

y
Относительное сужение
%

r
Плотность
т/м3

Т
Температура (по Кельвину)
К

t
Температура (по Цельсию)
°С

t50
Критическая температура хрупкости
°С

Р
Давление
МПа

τ
Время
с; час

Vохл
Скорость охлаждения 
°С/ч; К/ч

a
Коэффициент линейного (теплового) расширения
1/°С

l
Коэффициент теплопроводности
Вт/м°С

η
Плотность упаковки кристаллической решетки
%

КЧ
Координационное число
ед.

Обозначение фаз в сплавах

a, β, γ…
Твердые растворы

θ, l, d , s
Интерметаллические фазы двойные

T, S, W
Интерметаллические фазы тройные и четверные

ВВЕДЕНИЕ

1. НЕМНОГО ИСТОРИИ

Материалы — обязательный и неотъемлемый объект не только 

техники, но и истории развития человечества. Материалы — это 
сложные или простые вещества, их смеси, гетерогенные компози-
ции природного или искусственного происхождения, использу-
емые или пригодные к использованию для решения практических 
задач.

В исторической науке целые эпохи развития человечества, длив-

шиеся не одно тысячелетие, называют только по одному признаку — 
типу материалов: «каменный век», «бронзовый век», «железный век». 
Освоение нового материала, особенно металла и его сплавов, давало 
новые возможности в строительстве, быту и, в первую очередь, в во-
енном деле. На протяжении многих веков материалы выбирались 
интуитивно, мастерами-одиночками. Единственной гарантией ка-
чества металла был их многолетний опыт.

Наука о металлах появилась в ХIХ в. почти одновременно в Рос-
IХ в. почти одновременно в Рос-
Х в. почти одновременно в Рос-

сии и в Западной Европе в связи с бурным развитием техники. В Рос-
сии первые научные закономерности получения сталей были откры-
ты выдающимся ученым Павлом Петровичем Аносовым (1799–
1851), работавшим на Урале. П.П. Аносов впервые применил 
микроскоп для изучения строения сталей. Таким образом, было по-
ложено начало микроструктурному анализу, который до сих пор яв-
ляется наиболее распространенным методом при изучении материа-
лов. П.П. Аносов изучил влияние углерода на строение и свойства 
сталей, чем способствовал превращению отрасли знаний о металлах 
в точную науку, и заложил основу учения о качественных сталях. 
П.П. Аносов раскрыл тайну булата, с его именем связано изобрете-
ние мартеновского процесса (на 20 лет раньше Мартена).

Основоположником науки о металлах в России является Дмитрий 

Константинович Чернов (1839–1921). Фундаментальными открыти-
ями Д.К. Чернова являются полиморфизм железа и критические 
точки в сталях. Критические точки — это те температуры при нагре-
ве и охлаждении, которые характеризуют протекание в стали тех или 
иных внутренних превращений. Эти внутренние превращения (фазовые) определяют свойства, приобретаемые сталью в процесс тепло-
вой (термической обработки).

Открытие Д.К. Черновым критических точек послужило основа-

нием для построения диаграммы состояния железо–углерод и для 
разработки основ термической обработки стали.

Д.К. Чернов впервые обратил внимание на «сложение», т.е. стро-

ение, сталей, изучая стальные слитки, прокатанные полуфабрикаты 
и изломы деталей. Он показал, что мелкозернистое строение (мелкие 
кристаллы) обеспечивает наилучшее сочетание прочности и плас-
тичности сталей.

Работы Д.К. Чернова были признаны мировым металлургическим 

сообществом выдающимися открытиями и послужили основой для 
последующего бурного развития науки о металлах во всем мире.

Значительный вклад в развитие этой науки в XIX–XX вв. внесли 

зарубежные ученые: Аустен, Сорби, Гадфильд, Юм-Розери (Англия); 
Мартенс, Тамман (Германия); Осмонд, Ледебур, Шевенар, Гинье 
(Франция); Бейн, Смитт (США). По именам трех из этих ученых 
названы фазы, образующиеся в сталях — аустенит, мартенсит, бейнит и смесь фаз — ледебурит.

Наука о материалах за прошедшие два столетия носила несколько 

названий. В начале своего развития, в середине ХIХ в., она была со-
IХ в., она была со-
Х в., она была составной 
частью металлургии. В конце века французский ученый 
Ф. Осмонд предложил назвать новую науку, описывающую строение 
металлов, металлографией. В. 20-е гг. XX в. содержание науки уже 
вышло за рамки металлографии, так как была накоплена обширная 
информация о свойствах сплавов. И наука начала называться металловедением.

Металловедение, развиваясь, вобрало в себя положения других 

наук, таких как кристаллография, термодинамика, физическая химия. 
Основополагающими разработками для металловедения явились 
исследования ученых — Е.С. Федорова, Н.С. Курнакова, 
Д.У. Гиббса (США).

На начальном этапе развития металловедения основным объектом 
исследований являлся сплав. Сплав получали путем введения 
в расплавленный металл-основу специальных добавок — других элементов, 
которые называются легирующими элементами. Цель введения 
легирующих элементов — улучшение свойств сплава. Технология 
получения изделий из сплава в этот период состояла в выплавке, 
 литье, деформации, механической обработке и термической обработке (
в различных сочетаниях), которые проводили традиционными 
способами; для деталей из литейных сплавов исключалась стадия 
деформирования. Основными факторами управления свойствами 
сплава в этот период являлись выбор химического состава и режимов 
термической обработки.

Теория и технология термической обработки в Советском Союзе 

и в России разработаны учеными С.С. Штейнбергом, Н.А. Минке-
вичем, И.И. Новиковым, Д. А. Прокошкиным, Ю.М. Лахтиным, 
Б.Н. Арзамасовым и др. Теория и технология термомеханической 
обработки — М.Л. Бернштейном, М.М. Лозинским.

Изменение свойств в результате термической обработки является 

следствием протекания в нем различных превращений. Исследованию 
фазовых и структурных превращений в сплавах посвятили свои 
работы С.Т. Конобеевский, В.К. Курдюмов, В.Д. Садовский, А.П. Гуляев, 
М.В. Штремель, В.М. Счастливцев и другие ученые.

Исследование фазовых и структурных превращений внутри сплавов 
не могло быть изучено без надлежащего инструментария — методов 
исследования. Металловедение развивалось и развивается 
в основном экспериментальным путем, поэтому разработка методов 
исследования являлась неотъемлемой ее частью. Эти методы развивали 
Н.С. Курнаков (физико-химический анализ); М. Лауэ, П. Де-
бай, Ю.А. Скаков (рентгеновский анализ); П. Хирш, Л.М. Утевский 
(просвечивающая электронная микроскопия); Т.А. Гордеева (фрак-
тографический анализ); С.З. Бокштейн (авторадиографический ана-
лиз); Н.М. Попова, Н.Ф. Лашко (фазовый анализ).

Середина ХХ в. отмечена бурным всплеском разработок как спла-

вов на основе традиционно применяемых в технике тех лет железа, 
алюминия и меди, так и новых сплавов, ранее не существовавших 
(например, титановых, тугоплавких и сплавов для атомной энерге-
тики). К 1992 г. из 66 элементов периодической системы элементов 
Д.И. Менделеева, которые могут рассматриваться как пригодные для 
конструирования, использовали уже 54.

Выдающимся ученым этого периода металловедения явился 

А.А. Бочвар (1902–1984), который открыл явление сверхпластичности, 
сделал крупные разработки в области и кристаллизации, и деформа-
ции. А.А. Бочвар заложил основы разработки важнейших конструк-
ционных материалов — жаропрочных сплавов. А.А. Бочвар с сотруд-
никами создал не существовавшие ранее сплавы атомной энергетики.

Но к началу 1970-х гг. число разработок сплавов, в которых факто-

ром, управляющим свойствами, являлся выбор химического состава, 
уменьшилось. Причина состояла в естественной ограниченности вы-
бора как металлов — основ сплавов, обладающих определенной тех-
нологичностью, так и номенклатуры легирующих элементов. В конце 
XX в. разработка материалов начала осуществляться по новому прин-
 в. разработка материалов начала осуществляться по новому прин-

ципу. Все технологические этапы получения сплава не только подвер-
глись усовершенствованию, но и зачастую становились основными 
способами получения материалов с заданными свойствами. Таким 
образом, были получены материалы порошковой металлургии, в том 
числе гранулированные; аморфные металлические материалы; спла-
вы, детали из которых изготавливаются способом направленной крис-
таллизации, в том числе и монокристаллические.

Новые конструкционные материалы были разработаны в резуль-

тате усилий научных коллективов, которыми руководили А.А. Боч-
вар, И.И. Сидорин, С.Т. Кишкин, Я.М. Потак, И.Н. Фридляндер, 

Доступ онлайн
572 ₽
от 486 ₽
В корзину