Физические основы технологических процессов в машиностроении

 
 
 
М. А. Скотникова 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 
В МАШИНОСТРОЕНИИ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 

 
УДК 621 
ББК 34.4 
С44 
 
Рецензенты: 
д. т. н., профессор факультета систем управления и робототехники  
ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский  
университет информационных технологий, механики и оптики»  
Мусалимов Виктор Михайлович; 
д. т. н., заведующая лабораторией ФГБУН  
«Институт проблем машиноведения Российской академии наук»  
Седакова Елена Борисовна 
 
 
 
Скотникова, М. А. 
С44   
Физические основы технологических процессов в машиностроении : 
учебное пособие / М. А. Скотникова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 188 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1049-6 
 
Изложены научно обоснованные технологические разработки, заключающиеся в изучении физических основ новых высокоэффективных технологических процессов изготовления изделий, обеспечивающих повышение качества  
и надежности их работы, увеличение срока их службы за счет учёта структурных 
и фазовых превращений, как в материале заготовки изделия на этапе его механической обработки, так и в материале готового изделия на этапе его эксплуатации. 
Для студентов машиностроительных специальностей. 
 
УДК 621 
ББК 34.4 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1049-6 ” Скотникова М. А., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
 
2 

 
 
 
 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Сегодня наша промышленность переживает трудности, возникшие на определенном этапе развития экономики. Несовершенные, трудоемкие, неконтролируемые технологические процессы, к сожалению, приводят к получению продукции, 
которая не может конкурировать с западными аналогами по цене и качеству.  
Сегодня, мы стоим на пути необходимости создания изделий с применением 
научно-обоснованных, эффективных технологических процессов, которые обеспечат повышение качества и надежности работы деталей машин и конструкций, 
увеличение их срока эксплуатации. Среди современных высокопроизводительных 
технологических процессов все более возрастает удельный вес высокоскоростной 
деформации со скоростью 102…106 с-1. В различных областях промышленности 
используется энергия взрыва и другие методы получения ударных волн для ковки, 
штамповки, прессования порошков, сварки, резки, упрочнения материалов.  
К сожалению, сегодня отсутствуют систематические исследования структурных и фазовых превращений и связанного с ними перераспределения легирующих элементов при определенных высоких ударных нагрузках и контактных 
температурах в сплавах. Поэтому, в данной работе изложены научно обоснованные технологические разработки, заключающиеся в изучении физических основ 
новых высокоэффективных технологических процессов изготовления изделий, 
обеспечивающих повышение качества и надежности их работы, увеличение срока 
их службы за счет учёта структурных и фазовых превращений, как в материале 
заготовки изделия на этапе его механической обработки, так и в материале готового изделия на этапе его эксплуатации. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 

 
 
 
 
 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 9 
1. СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛА ДЕТАЛЕЙ МАШИН И МЕТОДЫ 
ИССЛЕДОВАНИЯ .................................................................................................... 10 
1.1. Современная классификация структурных уровней исследования 
.......... 10 
1.2. Современные методы исследования ............................................................ 12 
1.2.1. Растровая электронная микроскопия ................................................ 14 
1.2.2. Просвечивающая электронная микроскопия ..................................... 17 
1.2.3. Рентгеноструктурный анализ ............................................................ 21 
1.2.4. Термический анализ 
............................................................................... 24 
1.2.5. Дилатометрический анализ 
................................................................. 30 
1.2.6. Физические методы контроля качества металлов 
.......................... 32 
1.3. Идеальная кристаллическая структура металлических материалов 
......... 40 
1.4. Реальная кристаллическая структура металлических материалов.  
Дефекты кристаллического строения ............................................................. 49 
1.4.1. Точечные дефекты кристаллического строения .............................. 49 
1.4.2. Линейные дефекты кристаллического строения ............................. 51 
1.4.3. Поверхностные дефекты кристаллического строения ................... 55 
1.4.4. Объемные дефекты кристаллического строения 
............................. 56 
2. ФИЗИКА ПРОЧНОСТИ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 
...... 57 
2.1. Внутренние напряжения временные и остаточные.  
Физическая природа 
........................................................................................... 57 
2.2. Теоретическая прочность металлических материалов 
............................... 58 
2.3. Реальная прочность металлических материалов как совокупная  
характеристика способов упрочнения с учётом влияния структурных  
уровней ............................................................................................................... 60 
2.3.1. Упрочнение, обусловленное силой трения решетки 
в монокристалле 
.............................................................................................. 63 
2.3.2. Упрочнение, обусловленное твердорастворным механизмом 
в монокристалле сплава ................................................................................. 64 
 
4 

 
2.3.3. Дисперсионное упрочнение в монокристалле 
..................................... 66 
2.3.4. Зернограничное упрочнение в поликристалле .................................... 67 
2.3.5. Дислокационное упрочнение в поликристаллах ................................. 69 
2.3.6. Субструктурное упрочнение в поликристалле 
.................................. 70 
3. ДЕФОРМАЦИЯ И РАЗРУШЕНИЕ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ 
МАТЕРИАЛОВ ......................................................................................................... 72 
3.1. Классификация видов деформации металлических материалов .............. 72 
3.2. Механизмы пластической деформации металлических материалов.  
Энергия дефекта упаковки материала как критерий выбора механизма  
пластической деформации ............................................................................... 73 
3.2.1. Сдвиговой механизм пластической деформации «скольжением» ....... 
75 
3.2.2. Сдвиговой механизм пластической деформации 
«двойникованием» ........................................................................................... 77 
3.2.3. Сдвиговой механизм пластической деформации 
«фазовым превращением» 
.............................................................................. 80 
3.2.4. Ротационный механизм пластической деформации ........................ 81 
3.3. Закономерности структурных превращений в материалах  
с увеличением степени их пластического деформирования ............................ 83 
3.4. Критическая степень пластической деформации. Механизмы зарождения 
трещин в металлических материалах 
.............................................................. 87 
3.4.1. Механизмы зарождения микротрещин 
.............................................. 88 
3.5. Критический размер зародышевой трещины. Механизмы  
распространения трещин и классификация видов разрушения  
металлических материалов 
............................................................................... 91 
3.5.1. Критический размер зародышевой трещины 
.................................... 91 
3.5.2. Механизмы распространения микротрещин и классификация  
видов разрушения металлических материалов 
............................................ 93 
3.6. Способы оценки работы зарождения и распространения трещин  
в материале изделий по испытаниям на растяжение и ударный изгиб ........... 98 
3.6.1. Оценка работы зарождения и распространения трещин 
в материале изделий по испытаниям на растяжение ............................... 98 
3.6.2. Оценка работы зарождения и распространения трещин 
в материале изделий по испытаниям на ударный изгиб 
........................... 104 
3.6.3. Модели вязко-хрупкого перехода. Хладноломкость. 
Оценка неполадок технологического процесса по виду излома ............... 105 
3.7. Влияние вида напряжённого состояния на свойства металлических  
материалов ....................................................................................................... 108 
 
 
5 

 
4. ФОРМИРОВАНИЕ И КОНТРОЛЬ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ, 
ВОЗНИКАЮЩИХ ПОД ДЕЙСТВИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 
ОПЕРАЦИЙ ............................................................................................................. 111 
4.1. Классификация остаточных напряжений .................................................. 112 
4.2. Факторы, приводящие к возникновению остаточных напряжений 
........ 115 
4.2.1. Механический фактор. Формирование и контроль остаточных  
напряжений в деталях машин, возникающих под действием механической 
обработки ...................................................................................................... 115 
4.2.2. Тепловой фактор. Термические напряжения, возникающие  
в сечении заготовок из неполиморфных материалов в результате  
резкого снижения температуры из высокотемпературной области ........ 
117 
4.2.3. Термические напряжения, возникающие по сечению  
сварного соединения 
...................................................................................... 118 
4.2.4. Термические напряжения, возникающие вдоль границ зерен 
в результате анизотропии теплового расширения в металлах 
с ГПУ-решеткой 
............................................................................................ 120 
4.2.5. Остаточные напряжения, возникающие под действием  
структурно-фазовых превращений. Фазовый наклеп. Мартенситные  
превращения. Распад пересыщенных твердых растворов по механизму 
старения 
......................................................................................................... 124 
4.2.6. Коррозионные напряжения 
................................................................ 128 
4.3. Микродифракционные методы контроля остаточных напряжений ....... 130 
4.3.1. Качественный контроль напряжений в металле с помощью  
методов растровой электронной микроскопии ........................................ 131 
4.3.2. Контроль микронапряжений в металле с помощью методов  
просвечивающей электронной микроскопии .............................................. 132 
4.3.3. Количественный контроль напряжений с помощью  
рентгеновского метода sin2\ 
...................................................................... 133 
5. СТРУКТУРНАЯ И КОНЦЕНТРАЦИОННАЯ РЕЛАКСАЦИЯ 
НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА 
ДЕТАЛЕЙ МАШИН ............................................................................................... 137 
5.1. Модель фазовых превращений в вакансионно-пересыщенных  
ОЦК - твердых растворах титановых сплавов ............................................ 140 
5.2. Кинетическая диаграмма структурных и фазовых превращений  
в сплавах титана в зависимости от температуры нагрева 
........................... 142 
5.2.1. Обсуждение ......................................................................................... 150 
6. ФИЗИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ  
В МАШИНОСТРОЕНИИ 
....................................................................................... 152 
 
6 

 
6.1. Закономерности фазовых превращений в машиностроительных  
материалах с увеличением скорости их деформирования 
.......................... 152 
6.2. Закономерности структурных и фазовых превращений в сплавах титана 
при ударном нагружении со скоростью 400…600 м/c ................................ 156 
6.2.1. Методика и материалы ..................................................................... 156 
6.2.2. Исследование морфологии разрушения металла заготовок  
после ударного нагружения ......................................................................... 157 
6.2.3. Микротвердость металла заготовки после ударного  
нагружения .................................................................................................... 160 
6.2.4. Структура металла заготовки после ударного нагружения 
........ 161 
6.2.5. Заключение ........................................................................................... 162 
6.3. Закономерности структурных и фазовых превращений  
в машиностроительных материалах при высокоскоростной лезвийной  
обработке 
.......................................................................................................... 163 
6.3.1. Методика и материалы ..................................................................... 164 
6.3.2. Оценка износа материала инструмента ......................................... 165 
6.3.3. Структура металла стружки из сплава АМц ................................ 169 
6.3.4. Структура металла стружки из сплава ВТ23 ............................... 170 
6.3.5. Структура металла стружки из сплава ХВГ ................................. 171 
6.3.6. Оценка микротвердости материала стружки .............................. 175 
6.3.7. Заключение ........................................................................................... 178 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 180 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
.................................................................... 183 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 

 
 
 
 
 
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ 
 
ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия 
РЭМ - растровая электронная микроскопия 
РСА - рентгеноструктурный анализ  
ГЦК - гранецентрированная кубическая решетка 
ОЦК - объемноцентрированная кубическая решетка 
ГПУ - гексагональная плотноупакованная решетка 
ГЦТ - гранецентрированная тетрагональная решетка 
ОЦТ - объемноцентрированная тетрагональная решетка 
Б - базис решетки  
К - координационное число 
ڦ - коэффициент компактности 
П4 - размер тетраэдрической поры  
П6 - размер октаэдрической поры 
V0,2 - предел текучести 
Vв - предел прочности 
N - число испытаний 
ВУП - вакуумный универсальный пост 
ЭДУ - энергия дефекта упаковки 
БУГ - больше угловые границы 
МУГ - мало угловые границы 
ГО - гексагональная ось 
МП - мартенситное превращение 
ОМП - обратимое мартенситное превращение 
ХТО - химико-термическая обработка 
ЗГП - зона Гинье - Престона 
МР - микрорасслоение 
РЛ - рентгеновский луч 
 
 
 
8 

 
 
 
 
 
ВВЕДЕНИЕ 
 
В настоящее время наша промышленность переживает трудности на определенном этапе развития экономики. Несовершенные, трудоемкие, неконтролируемые технологические процессы, к сожалению, приводят к получению продукции, не способной конкурировать с западными аналогами по цене и качеству.  
Для повышения конкурентоспособности необходимо создавать изделия 
при помощи технологических процессов, обеспечивающих повышение качества 
и надежности работы деталей машин и конструкций, увеличение их срока эксплуатации. Среди современных высокопроизводительных технологических процессов все больше возрастает удельный вес высокоскоростной деформации 
(102…106 с-1). В различных областях промышленности используется метод 
взрыва и другие для получения ударных волн для ковки, штамповки, прессования порошков, сварки, резки, упрочнения материалов.  
В современном машиностроении отсутствуют систематические исследования структурных и фазовых превращений и связанного с ними перераспределения легирующих элементов при определенных высоких ударных нагрузках  
и контактных температурах в сплавах.  
В данном пособии изложены научно обоснованные разработки для изучения физических основ технологических процессов изготовления изделий, обеспечивающих повышение качества и надежности их работы, увеличение срока их 
службы за счет структурных и фазовых превращений.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
9 

 
 
 
 
 
1. СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 
И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 
 
1.1. Современная классификация структурных уровней  
исследования 
 
На современном этапе, в условиях стремительного развития техники, исследователям все чаще приходится наблюдать и правильно объяснять явления, происходящие в машиностроительных материалах не только на макро-, но и на микро-, 
субмикро- и атомном уровнях (рис. 1.1). Этому также способствуют визуальный 
осмотр, оптические приборы, в частности высоко-вольтные растровые (РЭМ)  
и просвечивающие (ПЭМ) электронные микроскопы с высокой разрешающей способностью, вплоть до 0,001 мкм [1].  
 
  
  
 
                       а)                                           б)                                         в) 
Рис. 1.1, a, б, г. Изображения строения материала гидротурбины:  
а – на макроуровне; б – на микроуровне; в–д – на субмикроуровне 
10