Материаловедение и технологии обработки материалов

А.Ф. Третьяков, Л.В. Тарасенко 

 

 

 

 

 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИИ  
ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ 

 

 

Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов  
по университетскому политехническому образованию в качестве 
учебного пособия для студентов высших учебных заведений,  
обучающихся по направлениям 150700 «Машиностроение», 151000 
«Технологические машины и оборудование», специальности 
151701 «Проектирование технологических машин и комплексов» 
 
 
 
 
 
 
 

 

 
Москва 2014 
 

УДК 620.22 : 621.7(075) 
ББК 3о3я 73 : 34.5я 73 
        Т66 
 
Рецензенты: 
заведующий кафедрой «Технология конструкционных материалов» 
МАИ (национального исследовательского университета), председатель научно-методического совета «Материаловедение и технология конструкционных материалов» д-р техн. наук, профессор  
                                           Г.П. Фетисов; 
чл.-корр. РАН, д-р техн. наук, профессор МГТУ «Станкин»  
А.М. Дмитриев 
 
       Третьяков А. Ф. 
Т66       Материаловедение и технологии обработки материалов : 
учеб. пособие / А. Ф. Третьяков, Л. В. Тарасенко. – М. : Изд-во 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. – 541, [3] c. : ил. 
 
ISBN 978-5-7038-3889-1 
 
Изложены физико-механические основы материаловедения, закономерности формирования строения материалов в процессе кристаллизации, пластической деформации, термической обработки. Особое внимание уделено фазовым превращениям в твердом состоянии, 
механизмам упрочнения. Приведены технологические способы управления строением и свойствами сплавов, основные свойства конструкционных и инструментальных материалов. 
Рассмотрены процессы, протекающие при изготовлении изделий 
в парогазовой, жидкой, твердо-жидкой и твердой фазах. Даны рекомендации по обеспечению технологичности заготовок и деталей машин при их проектировании. Уделено внимание основам технологий 
получения заготовок сваркой и механической обработкой резанием. 
Приведены примеры конструирования и изготовления деталей с учетом механических и технологических свойств используемых сплавов и 
типа производства. 
Для студентов технических университетов, обучающихся по машиностроительным направлениям, а также для преподавателей и инженеров. 
 
УДК 620.22 : 621.7(075) 
                                                                                  ББК 3о3я 73 : 34.5я 73 
 
 
 
© Третьяков А.Ф., Тарасенко Л.В., 2014 
                                        © Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-3889-1                    МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 

Оглавление 
3 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие  ..............................................................................................  11 

Раздел I. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ  
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ  ...........................................................................  14 

Глава 1. Классификация машиностроительных материалов,  
их свойства и характеристики  ...............................................................  14 
1.1. Классификация материалов  .........................................................  14 
1.2. Основные свойства конструкционных материалов  ...................  18 
1.2.1. Механические свойства ......................................................  18 
1.2.2. Физические и химические свойства  ..................................  23 
1.2.3. Технологические и эксплуатационные свойства  .............  25 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  27 
Глава 2. Классификация материалов в зависимости от природы 
химической и физической связей  ..........................................................  29 
2.1. Типы химической и физической связей в веществах  ................  29 
2.2. Материалы c химической связью различных типов. Свойства 
       материалов, способы их получения  ............................................  31 
2.2.1. Полимеры  ............................................................................  33 
2.2.2. Керамика  .............................................................................  34 
2.2.3. Металлы и сплавы  ..............................................................  36 
2.2.4. Карбиды и интерметаллиды  ..............................................  39 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  41 
Глава 3. Строение металлов и сплавов  ................................................  42 
3.1. Методы исследования структуры и состава материалов  ..........  42 
3.2. Пространственные объекты в сплаве, состоящие из групп  
      атомов  .............................................................................................  43 
3.2.1. Кристаллическая решетка металлов  .................................  43 
3.2.2. Зерна, дендриты, волокна, гранулы, порошки  .................  47 
3.3. Несовершенства кристаллической структуры  ...........................  52 
3.4. Наноструктура  ..............................................................................  58 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  60 

Оглавление 

Глава 4. Основы теории сплавов  ..........................................................   61 
4.1. Химический состав сплавов  ........................................................  61 
4.2. Фазовый состав сплавов  ..............................................................  62 
4.3. Понятие о равновесных фазовых диаграммах (диаграммах  
       состояния)  .....................................................................................  65 
4.4. Фазовые превращения в сплавах в твердом состоянии  ............  74 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  77 

Раздел II. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО.  
ОСНОВНАЯ ПРОДУКЦИЯ  ....................................................................  79 
Глава 5. Физико-химические процессы производства чугуна  
и стали  ........................................................................................................  79 
5.1. Современное металлургическое производство  ..........................  79 
5.2. Производство чугуна  ...................................................................  80 
5.3. Производство стали  ......................................................................  82 
5.4. Внедоменное получение стали  ....................................................  86 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  88 
Глава 6. Кристаллизация и строение стальных слитков  .................  89 
6.1. Формирование структуры литых заготовок  ...............................  89 
6.2. Форма кристаллов и строение стальных слитков  ......................  97 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  100 
Глава 7. Способы повышения качества слитков  ...............................  101 
7.1. Непрерывная разливка стали  .......................................................  101 
7.2. Внепечная обработка стали  .........................................................  103 
7.3. Переплавные процессы  ................................................................  104 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  108 
Глава 8. Производство цветных металлов  ..........................................  109 
8.1. Производство меди  .......................................................................  109 
8.2. Производство алюминия  ..............................................................  110 
8.3. Производство магния  ...................................................................  111 
8.4. Производство титана  ....................................................................  112 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  114 
Глава 9. Основная продукция металлургического производства  .........  115 
9.1. Виды машиностроительных профилей  ......................................  115 
9.2. Производство прокатанных профилей  .......................................  116 
9.3. Производство прессованных профилей  .....................................  121 
9.4. Волочение машиностроительных профилей ..............................  124 
9.5. Производство гнутых профилей  .................................................  125 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  127 

Раздел III. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ  
СТРОЕНИЕМ И СВОЙСТВАМИ СПЛАВОВ  ......................................  128 
Глава 10. Требования к свойствам конструкционных сплавов  ......  128 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  133 

Оглавление 
5 

Глава 11. Холодная пластическая деформация  
и рекристаллизация  .................................................................................  134 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  139 
Глава 12. Термическая обработка сплавов  .........................................  140 
12.1. Виды термической обработки  ...................................................  140 
12.2. Виды универсального отжига I рода .........................................  143 
12.3. Упрочняющая термическая обработка  .....................................  145 
12.4. Химико-термическая обработка  ................................................  148 
12.4.1. Химико-термическая обработка с диффузионным  
            насыщением углеродом и азотом  ....................................  149 
12.4.2. Химико-термическая обработка с диффузионным  
            насыщением металлами  ...................................................  151 
12.5. Поверхностная лазерная обработка  ..........................................  152 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  154 

Раздел IV. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ  ............................  155 
Глава 13. Формирование строения машиностроительных  
сталей  
 .................................................................................................  155 
13.1. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов. Область  
         сталей  ...........................................................................................  155 
13.2. Фазовые превращения в сталях при медленном охлаждении 
         из аустенитной области  .............................................................  158 
13.3. Термическая обработка сталей  ..................................................  161 
13.4. Закалка сталей на мартенсит  .....................................................  170 
13.5. Отпуск сталей  .............................................................................  176 
13.6. Химико-термическая обработка сталей  ...................................  179 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  185 
Глава 14. Конструкционные машиностроительные стали  ..............  186 
14.1. Классификация машиностроительных сталей  .........................  186 
14.2. Влияние легирующих элементов на свойства сталей  .............  189 
14.3. Стали с различным уровнем прочности  ...................................  192 
14.4. Рессорно-пружинные стали  .......................................................  199 
14.5. Износостойкие стали  ..................................................................  203 
14.6. Подшипниковые стали  ...............................................................  207 
14.7. Автоматные стали  ......................................................................  210 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  212 
Глава 15. Стали с особыми физико-химическими свойствами  .......  213 
15.1. Жаропрочные стали  ...................................................................  213 
15.2. Стали с повышенной поверхностной стойкостью  ...................  220 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  229 
Глава 16. Сплавы железа с углеродом. Чугуны  .................................  231 
16.1. Химический состав и виды чугунов  .........................................  231 

Оглавление 

16.2. Механические и технологические свойства чугунов  ..............  235 
16.3. Серые чугуны  ..............................................................................  236 
16.4. Высокопрочные чугуны  .............................................................  237 
16.5. Чугуны с вермикулярным графитом  ........................................  239 
16.6. Ковкие чугуны  ............................................................................  240 
16.7. Специальные чугуны  .................................................................  241 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  243 
Глава 17. Сплавы цветных металлов ...................................................  244 
17.1. Алюминиевые сплавы  ................................................................  244 
17.2. Магниевые сплавы  .....................................................................  250 
17.3. Титановые славы  ........................................................................  252 
17.4. Медные сплавы  ...........................................................................  255 
17.4.1. Латуни  ................................................................................  257 
17.4.2. Бронзы  ...............................................................................  259 
17.5. Антифрикционные материалы  ..................................................  261 
17.6. Никелевые жаропрочные сплавы  ..............................................  264 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  267 
Глава 18. Пластмассы и композиционные конструкционные  
материалы  .................................................................................................  268 
18.1. Пластмассы  .................................................................................  268 
18.1.1. Состав и свойства пластмасс  ...........................................  268 
18.1.2. Термопластичные пластмассы  ........................................  271 
18.1.3. Термореактивные пластмассы  .........................................  274 
18.2. Композиционные конструкционные материалы  .....................  276 
18.2.1. Композиционные материалы на металлической  
            основе .................................................................................  282 
18.2.2. Композиционные материалы на полимерной основе  .........  286 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  289 

Раздел V. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ   ..........................  290 
Глава 19. Условия работы и требования к инструментальным 
материалам  ................................................................................................  290 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  293 
Глава 20. Материалы для изготовления металлорежущих  
инструментов  ............................................................................................  294 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  298 
Глава 21. Стали для изготовления инструментов обработки  
металлов давлением и для измерительных инструментов  ....................  299 
21.1. Общая характеристика материалов для инструментов  
         обработки металлов давлением  .................................................  299 
21.2. Валковые стали  ...........................................................................  301 
21.3. Штамповые стали  .......................................................................  303 

Оглавление 
7 

21.3.1. Стали для инструментов горячего деформирования  .....  303 
21.3.2. Стали для инструментов холодного деформирования  .......  306 
21.4. Стали для измерительных инструментов  .................................  310 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  311 

Раздел VI. МЕТОДЫ И СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК  .....  312 
Глава 22. Технологические процессы формообразования  
заготовок  ..............................................................................................   312 
22.1. Термины и определения  .............................................................  312 
22.2. Основные виды заготовок и их характеристики  ......................  314 
22.3. Качество и технологичность заготовок  ....................................  317 
22.4. Формообразующие технологические процессы  ......................  319 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  320 
Глава 23. Получение заготовок и их обработка в парогазовой, 
жидкой и твердой фазах  ..........................................................................  321 
23.1. Процессы физического и химического осаждения  
         материалов. Основные области их применения  ......................  321 
23.2. Получение заготовок и их обработка в жидкой фазе  ..............  329 
23.3. Получение заготовок и их обработка в твердой фазе  .............  339 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  347 
Глава 24. Выбор метода получения заготовки конструируемой  
детали  ....................................................................................................  349 
24.1. Основные принципы выбора метода получения заготовки  ..........  349 
24.2. Технологические возможности основных методов  
         получения заготовок  ..................................................................  349 
24.3. Факторы, определяющие выбор метода получения  
         заготовки  .....................................................................................  352 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  358 

Раздел VII. КОНСТРУИРОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ, ИЗГОТОВЛЯЕМЫХ 
МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ ДАВЛЕНИЕМ И РЕЗАНИЕМ  ......  359 
Глава 25. Физико-механические основы изготовления заготовок 
обработкой давлением  ........................................................................  359 
25.1. Особенности получения заготовок обработкой давлением  ..........  359 
25.2. Пластичность и сопротивление деформированию  ..................  361 
25.3. Общая характеристика кузнечно-штамповочного  
         производства  ...............................................................................  363 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  364 
Глава 26. Технологические особенности изготовления заготовок 
обработкой давлением  .............................................................................  365 
26.1. Изготовление заготовок ковкой  ................................................  365 
26.2. Разновидности объемной штамповки  .......................................  368 

Оглавление 

26.3. Тиксоштамповка  .........................................................................  372 
26.4. Общая характеристика технологических процессов  
         получения изделий из листовых заготовок  ..............................  375 
26.5. Основные технологические операции листовой штамповки ........  376 
26.6. Обработка поверхностей пластическим деформированием  .........  381 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  383 
Глава 27. Конструирование технологичных изделий, изготовляемых 
обработкой давлением  .............................................................................  384 
27.1. Классификация поковок  ............................................................  384 
27.2. Конструирование заготовок, получаемых ковкой  
         и объемной штамповкой  ............................................................  384 
27.3. Обеспечение технологичности штампованной заготовки  ......  389 
27.4. Конструирование технологичных изделий, изготовляемых  
         листовой штамповкой  ................................................................  391 
Вопросы для самоконтроля  ...................................................................  395 
Глава 28. Физико-механические основы обработки заготовок 
резанием  ................................................................................................  396 
28.1. Особенности технологических процессов обработки  
         заготовок резанием  .....................................................................  396 
28.2. Физические закономерности механической обработки  
         резанием  ......................................................................................  398 
28.3. Свойства обработанной поверхности  .......................................  401 
28.4. Силы резания и тепловые явления при обработке резанием  ........  403 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  407 
Глава 29. Обрабатываемость материалов резанием и способы ее 
улучшения  ............................................................................................  408 
29.1. Обрабатываемость материалов  .................................................  408 
29.2. Основные способы улучшения обрабатываемости  .................  410 
29.3. Технологические особенности механической обработки  
         заготовок из основных конструкционных материалов  ...........  414 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  418 
Глава 30. Технологические особенности механической обработки 
заготовок резанием  ..............................................................................  419 
30.1. Обработка точением поверхностей заготовок  .........................  419 
30.2. Поперечное, продольное строгание и долбление заготовок  .........  421 
30.3. Обработка заготовок протягиванием  ........................................  423 
30.4. Обработка заготовок осевым режущим инструментом  ..........  424 
30.5. Обработка заготовок фрезерованием  .......................................  427 
30.6. Обработки поверхностей заготовок шлифованием  .................  429 
30.7. Технологические процессы отделочной обработки  
         поверхностей заготовок  .............................................................  431 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  435 

Оглавление 
9 

Глава 31. Технологические процессы обработки резанием  
основных поверхностей заготовок  ....................................................  437 
31.1. Обработка поверхностей тел вращения ....................................  437 
31.2. Обработка плоских поверхностей  .............................................  442 
31.3. Нарезание резьбы на заготовках  ...............................................  443 
31.4. Обработка поверхностей заготовок деталей с периодически  
         повторяющимся профилем  ........................................................  445 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  449 
Глава 32. Конструирование деталей, изготовляемых с использованием механической обработки давлением и резанием  ..............  450 
32.1. Общие технологические требования к деталям  .......................  450 
32.2. Конструктивные и технологические мероприятия, обеспечи- 
         вающие повышение технологичности детали  .........................  454 
32.3. Примеры конструирования и изготовления типовых деталей  
         с использованием механической обработки давлением  
         и резанием  ...................................................................................  459 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  467 

Раздел VIII. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЗАГОТОВОК МЕТОДОМ  
ЛИТЬЯ И СВАРКИ  ...................................................................................  469 
Глава 33. Литейные свойства сплавов и область их рационального 
применения ................................................................................................  469 
33.1. Основные особенности процессов получения отливок  ..........  469 
33.2. Литейные свойства сплавов и их влияние на конструктивные 
        размеры и форму отливок  ...........................................................  470 
33.3. Область рационального применения литейных сплавов  ........  477 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  479 
Глава 34. Технологические особенности изготовления отливок  ...........  480 
34.1. Технико-экономические показатели основных способов  
         получения отливок  .....................................................................  480 
34.2. Выбор рационального способа литья заготовки проектируемой  
         детали  ..........................................................................................  487 
34.3. Изготовление отливок из основных конструкционных  
         материалов  ..................................................................................  490 
34.4. Термическая и механическая обработки отливок  ...................  493 

Вопросы для самоконтроля  ............................................................................  497 
Глава 35. Конструирование технологичных отливок  .......................  498 
35.1. Классификация отливок  .............................................................  498 
35.2. Общие принципы конструирования литых деталей  ................  499 
35.3. Особенности конструирования заготовок, изготовляемых 
         специальными способами литья  ...............................................  504 
35.4. Обеспечение технологичности конструкции отливки  ............  506 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  513 

Оглавление 

Глава 36. Физико-механические основы технологических  
процессов сварки  .................................................................................  514 
36.1. Технологические особенности изготовления сварных  
         и паяных заготовок  .....................................................................  514 
36.2. Формирование соединений при сварке  ....................................  518 
36.3. Напряжения и деформации при сварке  ....................................  519 

Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  522 
Глава 37. Технологические особенности изготовления сварных 
заготовок  ....................................................................................................  523 
37.1. Свариваемость материалов  ........................................................  523 
37.2. Технологические особенности получения сварных соединений  
         из основных конструкционных материалов  .............................  525 
37.3. Дефекты в сварных соединениях и методы контроля  .............  528 
Вопросы для самоконтроля  .......................................................................  529 
Глава 38. Конструирование технологичных сварных изделий  .......  530 
38.1. Общие принципы конструирования сварных заготовок  .........  530 
38.2. Технологичность сварных заготовок  ........................................  531 
38.3. Примеры конструирования и изготовления типовых деталей  
         с использованием литья и сварки  .............................................  538 
Вопросы для самоконтроля  ...................................................................  541 
Заключение  ...............................................................................................  542 
Литература  ................................................................................................  543