Материаловедение и технология конструкционных материалов

С. В. Давыдов, Р. А. Богданов








МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
И ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ




Учебное пособие












Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК ББК

620.22 30.3
Д13

                         Утверждено редакционно-издательским советом Брянского государственного технического университета в качестве учебного пособия















      Давыдов, С. В.
Д13       Материаловедение и технология конструкционных материалов : учеб      ное пособие / С. В. Давыдов, Р. А. Богданов. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2020. - 256 с. : ил., табл.
          ISBN978-5-9729-0416-7

     Рассмотрены природа и свойства металлических материалов, основы их термической обработки и поверхностного упрочнения. Дана общая характеристика неметаллических материалов, их свойств и способов получения. Описаны основные технологические процессы формообразования и обработки заготовок при изготовлении деталей заданной формы и качества с учетом принципов рационального использования материалов.
     Для студентов бакалавриата технических специальностей.

УДК 620.22
                                                          ББК30.3






ISBN 978-5-9729-0416-7 © Давыдов С. В., Богданов Р. А., 2020
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

            ОГЛАВЛЕНИЕ



ПРЕДИСЛОВИЕ.................................................8
ВВЕДЕНИЕ....................................................9
ЧАСТЬ I. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ...............................10
ГЛАВА1. ОБЩИЕСВЕДЕНИЯОМЕТАЛЛАХ...........................13
      1.1. Механические свойства металлов и методы их определения ....15
         1.1.1. Статические испытания, нарастяжение........16
         1.1.2. Испытания приударном (динамическом) нагружении.19
         1.1.3. Испытания на усталость.....................20
         1.1.4. Определение твердости......................20
         1.1.5. Технологические свойства металлов..........21
         1.1.6. Эксплуатационные или служебные свойства....21
         1.1.7. Физические свойства........................21
         1.1.8. Химические свойства........................21
Контрольные вопросы к главе 1............................23
ГЛАВА 2. ОСНОВЫ СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ........................24
      2.1. Типы кристаллических решеток. Полиморфизм.....24
      2.2. Теоретическая прочность металлов с идеальной кристаллической решеткой............................26
      2.3. Дефекты кристаллического строения и их влияние на прочность........................................27
Контрольные вопросы к главе 2..............................30
ГЛАВА 3. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ И ИХ СВОЙСТВА................31
      3.1. Формирование структур сплавов при затвердевании.32
         3.1.1. Кристаллизация металлов....................32
         3.1.2. Кристаллизация и формирование структур в сплавах, компоненты которых в твердом состоянии нерастворяются друг в друге......................33
         3.1.3. Кристаллизация и формирование структур в сплавах, компоненты которых образуют твердыерастворы с неограниченнойрастворимостью....................35
Контрольные вопросы к главе 3..................................36
ГЛАВА 4. ЖЕЛЕЗО И СПЛАВЫ НА ЕГО ОСНОВЕ.....................37
      4.1. Диаграмма железо - цементит (Ее-ЕеэС)...............37

3

         4.1.1.  Кристаллизация, (затвердевание) железоуглеродистых сплавов..............................................38
         4.1.2.  Фазовые и структурные превращения в сплавах после затвердевания..................................39
      4.2. Основные способы производства стали................40
          4.2.1. Металлургические основы плавки...............40
          4.2.2. Основные способы производства стали..........41
      4.3. Сплавы на основе железа............................43
          4.3.1. Конструкционныеуглеродистые стали............44
          4.3.2. Легированные конструкционные стали...........50
      4.4. Чугуны.............................................59
          4.3.1. Белые чугуны.................................61
          4.3.2. Серые чугуны.................................61
          4.3.3. Ковкие чугуны................................63
          4.3.4. Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом...64
Контрольные вопросы к главе 4.................................65
ГЛАВА 5. ТЕРМИЧЕСКАЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
          КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ..............................66
      5.1. Основные виды термической обработки................67
          5.1.1. Отжиг для фазовой перекристаллизации.........69
          5.1.2. Нормализация.................................69
          5.1.3. Закалка......................................70
          5.1.4. Закаливаемость и прокаливаемость стали.......74
      5.2. Поверхностная закалка и химико-термическая обработка.76
          5.2.1. Поверхностная закалка........................76
          5.2.2. Химико-термическая обработка.................77
Контрольные вопросы к главе 5.................................81
ГЛАВА 6. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ...............................82
      6.1. Алюминий и алюминиевые сплавы......................82
          6.1.1. Производство алюминия........................83
          6.1.2. Сплавы алюминия и их классификация...........83
          6.1.3. Термическая обработка алюминиевых сплавов....88
      6.2. Титаниегосплавы....................................89
          6.2.1. Деформируемые титановые сплавы...............92
          6.2.2. Литейные титановые сплавы....................95
          6.2.3. Область применения титана и его сплавов......97
      6.3. Магний и его сплавы................................99
          6.3.1. Свойствамагния...............................99
          6.3.2. Деформируемые магниевые сплавы..............101

4

           6.3.3. Литейные магниевые сплавы........................104
           6.3.4. Магниевые сплавы со специальными свойствами......106
      6.4. Медь   и её сплавы......................................106
           6.4.1. Марки медных сплавов.............................108
           6.4.2. Латуни...........................................108
           6.4.3. Литейные латуни..................................113
           6.4.4. Область применения, латуней......................113
           6.4.5. Бронзы...........................................114
           6.4.6. Антифрикционные (подшипниковые) сплавы на оловянной,

свинцовой, цинковой и алюминиевой основе....123
Контрольные вопросы к главе 6...............................125
ГЛАВА 7. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ...........................126
     7.1. Сущность технологических процессов производства полимерных материалов..................................129
      7.2. Пластмассы.......................................130
      7.3. Химические волокна...............................136
      7.4. Каучуки..........................................137
      7.5. Резины...........................................138
      7.6. Клеящиеся материалы и герметики..................140
          7.6.1. Конструкционные смоляные клеи..............140
          7.6.2. Неорганические клеи........................141
          7.6.3. Герметики..................................141
      7.7. Неорганические материалы..........................141
          7.7.1. Графит.....................................141
          7.7.2. Неорганическое стекло......................142
          7.7.3. Керамические материалы.....................142
Контрольные вопросы к главе 7................................143

ЧАСТЬ II. ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ЗАГОТОВОК И ДЕТАЛЕЙ

         МАШИН..........................................144
ГЛАВА 8. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО..........................144
     8.1. Понятие об элементах литейной формы...........145
     8.2. Основныевидылитья.............................151
         8.2.1. Литье в песчано-глинистые формы.........151
         8.2.2. Специальные виды литья..................153
     8.3. Сравнительная оценка способов литья...........157
Контрольные вопросы к главе 8...........................158

5

ГЛАВА 9. ПРОИЗВОДСТВО ЗАГОТОВОК И ДЕТАЛЕЙ МАШИН МЕТОДОМ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ........................159
      9.1. Понятие о процессе пластического деформирования..159
      9.2. Прокаткаметаллов.................................161
      9.3. Свободная ковка..................................164
      9.4. Горячая объемная штамповка.......................166
      9.5. Холодная штамповка...............................167
          9.5.1. Холодная объемная штамповка................167
          9.5.2. Холодная листовая штамповка................169
Контрольные вопросы к главе 9...............................173
ГЛАВА 10. СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО............................174
      10.1. Классы сварочных процессов......................175
      10.2. Сварочные процессы термического класса..........175
          10.2.1. Электродуговаясварка......................175
          10.2.2. Ручная дуговая сварка.....................177
          10.2.3. Автоматическая дуговая сварка под флюсом..178
          10.2.4. Сварка всреде защитных газов..............180
      10.3. Сварочные процессы механического класса.........181
          10.3.1. Холоднаясварка............................181
          10.3.2. Сварка трением............................182
      10.4. Сварочные процессы термомеханического класса....183
          10.4.1. Стыковая сварка...........................183
          10.4.2. Точечная сварка...........................184
          10.4.3. Шовная (роликовая) сварка.................185
      10.5. Основные виды сварных соединений................186
Контрольные вопросы к главе 10..............................189
ГЛАВА 11. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ.......................190
      11.1. Общие положения.................................190
      11.2. Параметры (элементы) процесса резания...........191
      11.3. Обработка заготовок на станках токарной группы...193
      11.4. Обработка заготовок на фрезерных станках........195
      11.5. Обработка на сверлильных станках................199
      11.6. Обработка на шлифовальных станках...............201
      11.7. Другие методы обработки поверхностей заготовок..204
          11.7.1. Отделочныеметоды обработки................204
          11.7.2. Методы обработки без снятия стружки.......205
         11.7.3. Электрофизические и электрохимические методы обработки..........................................206
Контрольные вопросы к главе 11..............................207

6

ГЛАВА 12. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ.............................208
      12.1. Общее представление о композитах...................209
      12.2. Основные классы композитов.........................210
      12.3. Геометрия наполнителя..............................210
      12.4. Матричные материалы................................212
      12.5. Армирующие материалы...............................214
      12.6. Основные труппы композитов.........................216
         12.6.1. Композиты с полимерной и углеродной матрицей..216
         12.6.2. Дисперсно-упрочненные композиты (ДУКМ)........217
         12.6.3. Волокнистые (ВКМ) и слоистые (СКМ) композиты..220
         12.6.4. Эвтектические композиционные материалы (естественные волокнистые композиты)..................222
         12.6.5. Монокристаллические материалы.................224
         12.6.6. Аморфныематериалы.............................226
         12.6.7. Сверхравновесные (аномальные) твердыерастворы (СТР,АТР).............................................227
         12.6.8. Ультрадисперсные материалы (УДМ)..............228
         12.6.9. Функциональные порошковые материалы...........231
         12.6.10. Интерметаллиды...............................233
         12.6.11. Сверхпрочные материалы.......................234
         12.6.12. Материалы, содержащиередкиеметаллы...........235
         12.6.13. Материалы диссоциации металлорганических соединений............................................236
         12.6.14. Материалы порошковой металлургии.............238
      12.7. Процессы получения композиционных материалов.......243
         12.7.1. Способы получения. КМиз полимерных материалов.243
         12.7.2. Способы получения КМ из металлических сплавов.245
Контрольные вопросы к тлаве 12.................................249
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................250
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ И РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА......................251

7

            ПРЕДИСЛОВИЕ



     Учебник «Материаловедение и технология конструкционных материалов» предназначен для самостоятельного изучения данной дисциплины студентами очной и заочной формы обучения для всех направлений и профилей технических специальностей.
     Потребность в разработке такого учебного пособия возникла в связи со спецификой дисциплины и тем, что существующие учебники имеют большой объем и сложны для изучения студентами 1-го курса. Авторы в своем учебнике преследовали цель сосредоточить внимание обучающихся только на общенаучных элементах основных положений дисциплины и старались не перегружать учебник излишней информацией, которую можно легко найти в других источниках и технической литературе данной направленности.
     В пособии излагаются сведения, необходимые бакалаврам для организации рационального использования материалов и способов формообразования заготовок.
     Пособие состоит из двух частей. В первой части рассмотрены природа и свойства металлических материалов, основы их термической обработки и поверхностного упрочнения, общая характеристика неметаллических материалов, их свойств и способов получения. Во второй части изложены основные технологические процессы формообразования и обработки заготовок при изготовлении деталей заданной формы и качества. Приоритет по объему информации отдан металлическим материалам, так как доля их потребления в современном машиностроении значительно превышает долю неметаллических материалов. Такая тенденция, очевидно, сохранится и в обозримом будущем, поскольку конструкционными материалами в основном служат металлические материалы.
     Приводимые после каждой главы контрольные вопросы позволят студенту выявить (оценить) качество усвоения материала. В конце книги приведен список использованной при разработке пособия и рекомендуемой студентам литературы.

8

            ВВЕДЕНИЕ



     Разнообразие свойств материалов является главным фактором, предопределяющим их широкое использование в технике. Для рационального применения материалов необходимы знание их механических, физических, химических и других свойств, понимание закономерностей изменения этих свойств при изменении условий получения материалов и в процессе их эксплуатации.
     Правильный выбор материала способствует улучшению качества изделия, уменьшению процента брака, увеличению производительности. Неправильный выбор приводит к снижению эффективности труда, увеличению брака, а нередко и к авариям.
     Эксплуатационные свойства машин и механизмов в значительной мере определяются также точностью изготовления деталей, качеством их рабочих поверхностей. Несоблюдение заданных требований по точности и качеству деталей может стать причиной снижения эксплуатационных свойств, надежности и преждевременного выхода изделий из строя.
     Предметами изучения дисциплины «Материаловедение и технология конструкционных материалов» являются анализ закономерностей, определяющих строение и свойства материалов в зависимости от их химического состава, условий получения и методов упрочнения, а также способы формирования заготовок, сварки и механической обработки их резанием.
     Несмотря на то, что за последние годы создан ряд принципиально новых материалов, решающая роль в технике продолжает принадлежать металлическим материалам и, прежде всего, сплавам на основе железа: сталям и чугунам. На долю сталей приходится до 90 % производимых металлических материалов вместе взятых. Самой весомой группой сталей являются конструкционные стали (их доля в общем объеме металлических конструкционных материалов около 75 %). В общем объеме конструкционных сталей удельный вес углеродистых сталей составляет 85 %, а легированных -15%.
     Важнейшей частью материаловедения и технологии конструкционных материалов является учение о прочности и о путях ее повышения, а теоретической основой - соответствующие разделы физики и химии.

9

                ЧАСТЬ I





            МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ


     Одной из наиболее характерных особенностей цивилизации XX в. является громадное, все увеличивающееся производство и потребление различных металлов.
     Другой характерной особенностью современной цивилизации является всестороннее и многоцелевое развитие машиностроения, обеспечивающего рост работоспособности машин в обычных и особых условиях эксплуатации (космос, глубокий вакуум, большие перепады температур и давлений, высокие скорости, агрессивные среды, радиация и т. д.) и увеличение ресурса их быстроходности, мощности, производительности, грузоподьемности.
     В этой связи металловедение является основной базой развития машиностроения, обеспечивая прочность, жаропрочность, долговечность, износостойкость, трещиностойкость и надежность деталей машин и конструкций на основе гарантированной оценки структурного состояния металлов.
     Металловедение - наука, изучающая, зависимости между химическим составом, строением, структурой и свойствами металлов и закономерности их изменения под воздействием внешних факторов: тепловых, химических, механических, электромагнитных,радиоактивных и пр.
     Металловедение - наука, базирующаяся на основных положениях физики твердого тела, физической химии, термодинамики, электрохимии, атомной физики, исследует и направленно использует взаимосвязь структуры и свойств с целью улучшения параметров применяемых сплавов и для создания новых материалов с требуемым комплексом свойств.
     Главная задача металловедения - это научно обоснованно предсказывать поведение применяемых в технике сплавов на основе изучения их структуры и свойств.
     С одной стороны, объекты металловедения изучаются с позиций «вещь в себе», т. е. исследуется структура и состав сплава; внутренние процессы, протекающие в сплаве; как зависят свойства от структуры и состава сплава и т. д.
     С другой стороны, после того как мы познали «вещь в себе», сплав изучается с позиций «вещь для нас», т. е. исследуются изменения в сплаве как результат воздействия на него различных внешних факторов и решается вопрос об использовании полученных изменений для практических нужд человека.
     Насколько сложна проблема создания последовательной физической теории механического поведения металлов в деталях машин от их структуры показывает следующий пример. Известно теоретическое количество (10²³)

10