Материаловедение и технология материалов

-¬¡ ©¡¡
«¬ª°¡--¤ª©œ§¸©ª¡
ª¬œ£ªžœ©¤¡
-ÁÌÄÛ
ÊÍÉʾ¼É¼
¾

¿ÊÀÏ
A.M. Адаскин, В.М. Зуев
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
И ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
2-е издание
Рекомендовано Учебно-методическим советом Учебно-методического центра 
по профессиональному образованию Департамента образования города Москвы 
в качестве учебного пособия для студентов образовательных учреждений 
среднего профессионального образования
Москва                                        2024
ИНФРА-М

УДК 620.2(075.32)
ББК 30.3я723
 
А28
Р е ц е н з е н т ы:
Шашков Д.П., доктор химических наук, профессор кафедры «Металловедение и термообработка» Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета) ;
Киселев Н.В., доктор педагогических наук, профессор, заместитель директора Учебнометодического центра по профессиональному образованию города Москвы по научнометодической работе;
Арзамасов В.Н., доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология конструкционных материалов» Московского государственного технического университета «МАМИ» 
Адаскин А.М.
А28 
 
Материаловедение и технология материалов : учебное пособие / А.М. Адаскин, 
В.М. Зуев. — 2-е изд. — Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2024. — 335 с. — (Среднее профессиональное образование).
ISBN 978-5-00091-756-5 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-017066-4 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-109447-1 (ИНФРА-М, online)
Рассмотрены строение металлических, неметаллических и композиционных материалов, 
технологии их производства. Даны методы изучения свойств материалов, методы и технологии изменения свойств за счет термической, химико-термической обработки, пластического 
деформирования. Приведены различные технологии получения заготовок и деталей — литье, 
сварка, обработка давлением, резание. Рассмотрены основы технологии нанесения гальванических покрытий, а также технологии изготовления деталей из неметаллических материалов — пластических масс и резин.
Для студентов учреждений среднего профессионального образования. Может быть использовано при подготовке бакалавров, а также для начального профессионального образования и повышения квалификации, рабочих и мастеров.
УДК 620.2(075.32)
ББК 30.3я723
ISBN 978-5-00091-756-5 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-017066-4 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-109447-1 (ИНФРА-М, online)
© Адаскин A.M., Зуев В.М., 2009, 2013
© ФОРУМ , 2009, 2013

Оглавление
Оглавление 
............................................................................................................................3
Введение ...............................................................................................................................9
Часть I. СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЯ ИХ ПРОИЗВОДСТВА
Глава 1. ТИПЫ МЕЖАТОМНЫХ СВЯЗЕЙ И ИХ ВЛИЯНИЕ 
НА СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ. СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ 
..................................11
1.1. Типы межатомных связей 
.....................................................................................11
1.2. Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов 
...................................13
1.2.1. Идеальное строение металлов 
.....................................................................13
1.2.2. Полиморфные превращения в металлах ....................................................15
1.2.3. Строение реальных металлов 
......................................................................16
1.3. Молекулярное строение полимеров ....................................................................18
1.4. Строение композиционных материалов 
..............................................................19
Глава 2. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА 
МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ...............................................................................................21
2.1. Основы металлургического производства ..........................................................21
2.1.1. Материалы металлургического процесса 
...................................................21
2.1.2. Технологии обогащения руд ........................................................................23
2.2. Получение слитков металлов и сплавов. Строение слитка 
...............................24
2.2.1. Первичная кристаллизация (затвердевание) 
..............................................24
2.2.2. Строение слитка 
............................................................................................27
2.3. Обработка давлением в металлургическом производстве.................................28
2.3.1. Прокатка ........................................................................................................28
2.3.2. Прессование ..................................................................................................32
2.3.3. Волочение 
......................................................................................................33
Глава 3.  ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ ...................................................................35
3.1. Получение порошков и приготовление смесей ..................................................35
3.2. Формование заготовок ..........................................................................................36
3.3. Спекание 
.................................................................................................................38
3.4. Особенности обработки спеченных заготовок ...................................................39
Глава 4.  ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ — ЧУГУНА И СТАЛИ .............40
4.1. Производство чугуна.............................................................................................40
4.1.1. Подготовка шихты ........................................................................................40
4.1.2. Выплавка чугуна 
..........................................................................................................40
4.1.3. Продукция доменного производства ..........................................................44
4.2. Производство стали 
...............................................................................................45
4.3. Разливка стали .......................................................................................................51
4.4. Технология производства сталей и сплавов особо высокого качества ............53

Оглавление
Глава 5.  ПРОИЗВОДСТВО ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ 
...................................................57
5.1. Производство меди 
................................................................................................57
5.2. Производство алюминия 
.......................................................................................61
5.3. Производство титана 
.............................................................................................63
Глава 6.  ПРОИЗВОДСТВО ПОЛИМЕРОВ ....................................................................65
6.1. Полимеризация полимеров 
...................................................................................65
6.2. Поликонденсация полимеров 
...............................................................................67
6.3. Технология синтеза полимеров 
............................................................................68
Глава 7.  ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ
 МАТЕРИАЛОВ .................................................................................................................70
7.1. Производство упрочняющих компонентов 
.........................................................70
7.2. Производство композитов ....................................................................................72
Часть II. ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
Глава 8.  МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ 
И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ...................................................................................76
8.1. Определение механических свойств металлов и сплавов 
.................................76
8.1.1. Определение предела прочности, предела текучести, 
относительного удлинения и сужения ..................................................................76
8.1.2. Определение твердости 
................................................................................77
8.1.3. Испытания на усталость ..............................................................................80
8.1.4. Испытания на ползучесть ............................................................................81
8.1.5. Определение ударной вязкости и порога хладноломкости 
.......................82
8.1.6. Трещиностойкость 
........................................................................................83
8.1.7. Испытания на износостойкость ..................................................................84
8.2. Определение механических свойств пластических масс 
и композиционных материалов 
...................................................................................86
Глава 9.  ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ .......................................................................90
9.1. Общие сведения (терминология) .........................................................................90
9.2. Типы сплавов. Диаграммы состояния .................................................................91
9.2.1. Типы сплавов ................................................................................................91
9.2.2. Диаграммы состояния сплавов 
....................................................................93
9.3. Диаграммы состояния сплавов, упрочняемых термической обработкой ......100
Глава 10.  ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО — ЦЕМЕНТИТ. 
СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА И УГЛЕРОДА 
................................................................................102
10.1. Диаграмма состояния Fe — Fe3C 
.....................................................................102
10.2. Структура сплавов системы Fe — Fe3C ..........................................................105
Глава 11.  ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ..................................................107
11.1. Виды термической обработки ..........................................................................107
11.2. Превращения в сталях при нагреве .................................................................107

Оглавление
11.3. Превращения сталей при охлаждении. Диаграмма изотермического 
превращения аустенита 
..............................................................................................109
11.4. Технология объемной термической обработки ..............................................113
11.4.1. Отжиг и нормализация .............................................................................113
11.4.2. Закалка .......................................................................................................115
11.4.3. Отпуск и старение.....................................................................................117
11.5. Поверхностное упрочнение 
..............................................................................119
11.5.1. Химико-термическая обработка ..............................................................120
11.5.2. Поверхностная закалка 
.............................................................................125
11.6. Среды для нагрева и охлаждения при термической обработке ....................128
11.6.1. Нагревающие среды .................................................................................128
11.6.2. Охлаждающие среды 
................................................................................129
Глава 12.  СТАЛИ 
.............................................................................................................131
12.1. Примеси сталей и их влияние на свойства .....................................................131
12.2. Классификация сталей по качеству .................................................................132
12.3. Маркировка сталей 
............................................................................................132
12.4. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей 
...............134
12.5. Стали общетехнического назначения 
..............................................................138
Глава 13.  ЧУГУНЫ .........................................................................................................143
13.1. Классификация чугунов 
....................................................................................143
13.2. Белые и отбеленные чугуны 
.............................................................................143
13.3. Чугуны с графитом 
............................................................................................144
13.4. Термическая обработка чугуна ........................................................................148
Глава 14.  МАТЕРИАЛЫ СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ 
..........................151
14.1. Стали, устойчивые против коррозии 
...............................................................151
14.2. Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы 
................................................154
14.3. Стали и сплавы с особыми магнитными свойствами ....................................155
14.4. Материалы с особыми электрическими свойствами .....................................157
14.5. Сплавы с особыми упругими свойствами 
.......................................................158
14.6. Износостойкие стали ........................................................................................159
14.7. Высокопрочные стали 
.......................................................................................159
14.8. Сплавы с «памятью» .........................................................................................160
Глава 15.  ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ 
............................................................162
15.1. Медь и сплавы на ее основе .............................................................................162
15.2. Алюминий и сплавы на его основе 
..................................................................164
15.3. Титан и сплавы на его основе ..........................................................................166
15.4. Баббиты ..............................................................................................................167
Глава 16.  ПОЛИМЕРЫ И ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ ..............................................169
16.1. Температурные зависимости свойств полимеров ..........................................169
16.2. Пластические массы..........................................................................................173
16.2.1. Состав и классификация пластических масс .........................................173

Оглавление
16.2.2. Термопластичные пластмассы.................................................................174
16.2.3. Термореактивные пластмассы 
.................................................................175
16.2.4. Газонаполненные пластмассы .................................................................177
16.3. Эластомеры (каучуки), резины.........................................................................178
16.4. Пленкообразующие материалы, клеи, герметики, лаки, краски 
...................179
16.5. Область рационального применения пластмасс.............................................182
Глава 17.  КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
........................................................184
17.1. Дисперсно-упрочненные композиты 
...............................................................184
17.2. Волокнистые композиционные материалы 
.....................................................185
17.2.1. Характер разрушения и прочностные характеристики 
композитов 
.............................................................................................................186
17.2.2. Материалы матриц волокнистых композитов 
........................................188
17.2.3. Армирующие компоненты композиционных материалов ....................189
17.3. Область рационального применения композиционных материалов ............190
Часть III.  ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК И ДЕТАЛЕЙ
Глава 18.  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ............194
18.1. Технологические требования к материалам 
для литья (литейным сплавам) 
..................................................................................195
18.2. Обрабатываемость материалов давлением. 
Холодная и горячая обработка давлением ...............................................................196
18.3. Свариваемость металлов ..................................................................................201
18.4. Обрабатываемость резанием 
............................................................................204
Глава 19.  ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО 
....................................................................206
19.1. Основы литья .....................................................................................................206
19.2. Литье в одноразовые формы ............................................................................206
19.2.1. Литье в песчаные формы .........................................................................206
19.2.2. Литье по выплавляемым моделям 
...........................................................213
19.2.3. Литье в оболочковые формы ...................................................................215
19.3. Литье в многоразовые формы ..........................................................................217
19.3.1. Литье в кокиль ..........................................................................................218
19.3.2. Литье под давлением 
................................................................................219
19.3.3. Центробежное литье 
.................................................................................221
19.4. Электрошлаковое литье ....................................................................................222
19.5. Оборудование литейных производств 
.............................................................223
Глава 20.  ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ .........................................................................225
20.1. Основы обработки давлением 
..........................................................................225
20.2. Горячая обработка давлением ..........................................................................226
20.2.1. Нагрев заготовок 
.......................................................................................226
20.2.2. Ковка ..........................................................................................................228
20.2.3. Штамповка ................................................................................................229
20.3. Холодная обработка давлением .......................................................................235

Оглавление
20.3.1. Листовая штамповка 
.................................................................................235
20.3.2. Объемная штамповка ...............................................................................237
20.4. Материалы для штампового инструмента ......................................................239
20.5. Оборудование для обработки давлением ........................................................242
Глава 21.  СВАРКА ..........................................................................................................244
21.1. Классификация видов сварки 
...........................................................................244
21.2. Сварка плавлением 
............................................................................................244
21.2.1. Структура сварного соединения при сварке плавлением. 
Термическая обработка сварных заготовок 
........................................................245
21.2.2. Электродуговая сварка .............................................................................246
21.2.3. Электрошлаковая сварка ..........................................................................249
21.2.4. Газовая сварка ...........................................................................................250
21.2.5. Сведения об электронно-лучевом, ионно-лучевом 
и лазерном нагреве для сварки ............................................................................251
21.3. Термомеханические и механические методы сварки 
.....................................252
21.4. Резка металлов 
...................................................................................................255
Глава 22.  ПАЙКА И СКЛЕИВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ 
................................................258
22.1. Пайка металлов 
..................................................................................................258
22.1.1. Технология пайки .....................................................................................258
22.1.2. Обработка деталей после пайки 
..............................................................262
22.2. Склеивание материалов ....................................................................................263
Глава 23.  ОБРАБОТКА РЕЗАНИЕМ 
.............................................................................266
23.1. Особенности обработки резанием ...................................................................266
23.2. Основы обработки резанием ............................................................................266
23.2.1. Геометрические параметры режущего инструмента 
.............................266
23.2.2. Режимы резания 
........................................................................................270
23.2.3. Процесс резания .......................................................................................272
23.3. Оценка точности обработки и качества поверхности 
....................................276
23.3.1. Точность размеров и формы ....................................................................276
23.3.2. Оценка качества поверхности .................................................................282
23.4. Инструментальные материалы 
.........................................................................285
23.4.1. Материалы для лезвийного инструмента 
...............................................285
23.4.2. Материалы абразивных инструментов ...................................................293
23.5. Технология обработки на металлорежущих станках 
.....................................295
23.5.1. Технология лезвийной обработки ...........................................................295
23.5.2. Абразивная обработка ..............................................................................304
23.6. Металлорежущие станки 
..................................................................................308
Глава 24.  ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ 
МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ................................................................................................311
24.1. Электроэрозионная обработка .........................................................................311
24.2. Электрохимическая обработка 
.........................................................................313
24.3. Анодно-механическая обработка 
.....................................................................314

Оглавление
24.4. Ультразвуковая обработка.................................................................................315
24.5. Лучевая обработка 
.............................................................................................316
24.6. Плазменная обработка ......................................................................................317
Глава 25.  ТЕХНОЛОГИЯ НАНЕСЕНИЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ ........318
25.1. Физико-химические основы нанесения гальванических покрытий ............318
25.2. Подготовка поверхностей под покрытие ........................................................318
25.2.1. Требования к поверхностям 
.....................................................................318
25.2.2. Технология подготовки поверхности 
......................................................319
25.3. Технология нанесения покрытий 
.....................................................................320
25.3.1. Влияние технологии нанесения покрытий 
на качество поверхности 
......................................................................................320
25.3.2. Гальванические покрытия. Свойства. Область применения ................322
Глава 26.  ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПЛАСТИЧЕСКИХ МАСС 
И РЕЗИНЫ 
........................................................................................................................327
26.1. Особенности изготовления деталей из пластических масс и резины ..........327
26.2. Технология изготовления изделий из пластических масс 
.............................327
26.3. Технология изготовления изделий из резины 
.................................................331
26.4. Штамповка и обработка резанием пластмасс и резины ................................332
Список литературы ..........................................................................................................334

Введение
История цивилизации связана с материалами. Материалы дали названия 
целым историческим эпохам — каменный век, бронзовый век, железный век.
На самых ранних этапах развития человечества рождались металлургические технологии. Сначала использовали металлы, встречающиеся в природе 
в самородном виде, — медь. В IV в. до н. э. уже использовали сплавы меди с 
другими металлами — бронзы, т. е. уже была создана технология металлургического производства.
Наряду с получением различных материалов важнейшими этапами истории человечества является развитие технологий их обработки, т. е. получение из этих материалов изделий, необходимых для жизни. На ранних этапах 
изделия производились индивидуально, в рамках натурального хозяйства. 
Затем возникло разделение труда, появились ремесленники. Знания ремесла 
передавались от отца к сыну, от мастера к ученику и были недоступны для 
посторонних.
Переход от ремесленничества к промышленному производству был невозможен без создания научной базы — науки о материалах и методах их 
обработки.
Мощным побудительным мотивом развития материаловедения и технологии металлов как наук стала промышленная революция. В середине XIX в. 
был освоен мартеновский метод производства стали, а к концу века — конвертерный. Большие объемы выпускаемого металла потребовали развития науки 
о металлах — металловедения и разработки производительных технологий 
его переработки. В середине XIX в. работами Д. К. Чернова, П. П. Аносова, 
Н. Т. Гудцова, А. Мартенса, Р. Аустена были заложены основы современного 
металловедения. В это же время развивались и науки о переработке металлов.
Развитие материалов и технологий их обработки взаимосвязано. Часто научные достижения в одной из этих областей приводят к открытию новых возможностей в другой области.
Прогресс техники требовал повышения производительности обработки — 
развивались производительные методы обработки давлением, резанием, литейного производства. Это, в свою очередь, определило необходимость создания 
новых высокопроизводительных инструментальных материалов, работоспособных при высоких температурах.
Были созданы быстрорежущие стали, твердые сплавы, режущая керамика, 
материалы на основе алмаза и нитрида бора. Это позволило резко увеличить 

Введение
скорость резания и повысить производительность обработки. При этом, получение твердых сплавов и керамики стало возможным только в результате 
разработки порошковой технологии производства материалов. Производство 
синтетических алмазов и нитрида бора не могло быть реализовано без мощного технологического прорыва — создания технологий высокого давления.
Появление электрохимических и электрофизических технологий позволило выполнять обработку, т. е. изготавливать изделия из материалов, которые 
раньше обработать было невозможно, например, обработка непластичных материалов высокой твердости, даже алмаза.
Таким образом, материаловедение и технология обработки материалов являются приоритетными науками, определяющими уровень развития цивилизации.