Основы материаловедения
Покупка
Основная коллекция
ПООП
Тематика:
Материаловедение
Издательство:
КУРС
Год издания: 2024
Кол-во страниц: 240
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
Среднее профессиональное образование
ISBN: 978-5-906923-12-7
ISBN-онлайн: 978-5-16-102386-0
Артикул: 653013.09.01
Доступ онлайн
В корзину
Учебник написан в соответствии с требованием государственного образовательного стандарта преподавания общепрофессиональной дисциплины «Основы материаловедения», и предназначен для подготовки специалистов машиностроительных профессий среднего профессионального образования по профессиям: 2.15.01.23 «Наладчик станков и оборудования в механообработке», 2.15.01.24 «Наладчик шлифовальных станков», 2.15.01.25 «Станочник (металлообработка)», 2.15.01.26 «Токарь-универсал», 2.15.01.27 «Фрезеровщик-универсал», 2.15.01.28 «Шлифовальщик-универсал», 2.15.01.30 «Слесарь», 2.21.01.03 «Автомеханик».
В учебнике рассмотрено: кристаллическое строение металла, процессы кристаллизации, пластической деформации и рекристаллизации. Описаны фазы, образующиеся в сплавах, и диаграммы состояния, современные конструкционные, топливные и смазочные материалы. Изложены современные методы испытаний и критерии оценки конструктивной прочности материалов, методика подготовки образцов к испытаниям и проведения самих испытаний. Большое внимание уделено теории и технологии термической обработки. Даны практические рекомендации по выбору способа и режима термической и химико-термической обработки.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- Профессиональная подготовка по профессиям рабочих и по должностям служащих
- 15.01.05: Сварщик (ручной и частично механизированной сварки (наплавки)
- 15.01.24: Наладчик шлифовальных станков
- 15.01.25: Станочник (металлообработка)
- 15.01.26: Токарь-универсал
- 15.01.27: Фрезеровщик-универсал
- 15.01.28: Шлифовщик-универсал
- 15.01.30: Слесарь
- 15.01.38: Оператор-наладчик металлообрабатывающих станков
- 23.01.03: Автомеханик
- 23.01.17: Мастер по ремонту и обслуживанию автомобилей
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
А.А. ЧЕРЕПАХИН УЧЕБНИК Москва КУРС ИНФРА-М 2022 ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ Рекомендовано в качестве учебника по профессиям: 2.15.01.23 «Наладчик станков и оборудования в механообработке»; 2.15.01.24 «Наладчик шлифовальных станков»; 2.15.01.25 «Станочник (металлообработка)»; 2.15.01.26 «Токарь-универсал»; 2.15.01.27 «Фрезеровщик-универсал»; 2.15.01.28 «Шлифовальщик-универсал»; 2.15.01.30 «Слесарь»; 2.23.01.03 «Автомеханик» СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
УДК 620.22(075.8) ББК 30.3я73 Ч46 Черепахин А.А. Основы материаловедения : учебник / А.А. Черепахин. — Мо- сква: КУРС: ИНФРА-М, 2022. — 240 с. — (Среднее профессиональное образование). ISBN 978-5-906923-12-7 (КУРС) ISBN 978-5-16-012623-4 (ИНФРА-М, print) ISBN 978-5-16-102386-0 (ИНФРА-М, online) Учебник написан в соответствии с требованием государственного обра- зовательного стандарта преподавания общепрофессиональной дисциплины « Основы материаловедения», и предназначен для подготовки специалистов машиностроительных профессий среднего профессионального образования по профессиям: 2.15.01.23 «Наладчик станков и оборудования в механообработке», 2.15.01.24 «Наладчик шлифовальных станков», 2.15.01.25 «Станочник (металлообработка)», 2.15.01.26 «Токарь-универсал», 2.15.01.27 «Фрезеровщик-универсал», 2.15.01.28 «Шлифовальщик- универсал», 2.15.01.30 «Слесарь», 2.21.01.03 «Автомеханик». В учебнике рассмотрено: кристаллическое строение металла, процессы кристаллизации, пластической деформации и рекристаллизации. Описаны фазы, образующиеся в сплавах, и диаграммы состояния, современные конструкционные, топливные и смазочные материалы. Изложены современные методы испытаний и критерии оценки конструктивной прочности материалов, методика подготовки образцов к испытаниям и проведения самих испытаний. Большое внимание уделено теории и технологии термической обработки. Даны практические рекомендации по выбору способа и режима термической и химико-термической обработки. УДК 620.22(075.8) ББК 30.3я73 Р е ц е н з е н т: Е.Е. Зорин — д-р техн. наук, профессор кафедры «Материаловеде- ние» ФГБОУ ВО «Московский политехнический университет» Ч46 © Черепахин А.А., 2017 © КУРС, 2017 ISBN 978-5-906923-12-7 (КУРС) ISBN 978-5-16-012623-4 (ИНФРА-М, print) ISBN 978-5-16-102386-0 (ИНФРА-М, online) ФЗ № 436-ФЗ Издание не подлежит маркировке в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11
ВВедение Материаловедением называется комплексная наука, изучающая зависимости между составом, внутренним строением и свойствами материалов, а также закономерности их изменения под воздействием внешних факторов: тепловых, механических, химических, электромагнитных, радиоактивных. Теоретические расчеты на основе соответствующих разделов физики и химии твердого тела не всегда могут дать однозначных ответов на поставленные практикой вопросы, поэтому в материаловедении большое значение имеют экспериментальные методы исследования строения и свойств материалов. К числу важнейших свойств материалов относятся: механические (прочность, вязкость, твердость и др.); химические (сопротивление воздействию агрессивной среды); физические (электрические, магнитные, тепловые); технологические (жидкотекучесть, штампу- емость, свариваемость, обрабатываемость резанием, прокалива- емость и др.). Непрерывный рост уровня техники предъявляет все более высо- кие требования к эксплуатационным свойствам материалов различного назначения, а также к методам получения и обработки материалов. Современное материаловедение обобщает и использует результаты исследований отечественных и зарубежных ученых на основе физики и химии твердого тела, что позволяет разрабатывать новые конструкционные материалы и эффективные технологии их получения и обработки. Работы отечественных ученых А. А. Бочвара, А. А. Байкова, Г. В. Курдюмова, В. Д. Садовского, В. А. Каргина внесли огромный вклад в развитие современной науки о материалах. Все конструкционные материалы можно разделить на следующие группы: металлические материалы — к ним относят материалы и сплавы, которые подразделяются на черные (железо и его сплавы) и цветные (все остальные металлы и сплавы на их основе); неметаллические материалы (резина, пластмассы, стекло); древесные материалы; композиционные материалы, которые получают объединением в единое целое не менее двух разнородных материалов, часто не взаимодействующих друг с другом (могут быть на основе систем «металл — металл», «металл — неметалл», «неметалл — неметалл»).
Глава 1 Физико-химические осноВы металлоВедения Из 126 описанных в Периодической системе Д. И. Менделеева химических элементов 85 относятся к металлам и обладают такими характерными свойствами, как: • плотная кристаллическая структура; • высокая пластичность, ковкость, теплопроводность и электриче- ская проводимость; • положительный температурный коэффициент электрического сопротивления (многие металлы обладают сверхпроводимостью при температурах, близких к абсолютному нулю, т. е. в области температур -273 °С); • хорошая отражающая способность и, как следствие, характерный металлический блеск; • непрозрачность; • низкий уровень степени ионизации (электроны отделяются сво- бодно); • способность к термоэлектронной эмиссии (испускание элект- ронов при нагревании); • способность к образованию соединений (сплавы); • растворимость (растворяются в сильных кислотах и едких щело- чах) и окисляемость (образование оксидов). Все металлы, за исключением ртути, в обычных условиях — твер- дые кристаллические вещества, являющиеся хорошими проводниками теплоты и электрического тока. Эти свойства обусловлены наличием свободно перемещающихся электронов в кристаллической решетке. Более высокими техническими свойствами обладают не чистые металлы, а их соединения с металлами и неметаллами — сплавы, которые по составу и строению бывают разными (механическая смесь, твердый раствор или интерметаллическое соединение), но сохраняют важнейшие свойства металлов и называются металлическими материалами. Примером широкого использования сплавов являются сталь — сплав железа с углеродом (добавки: Mn, Cr, Ni, Si, P, S); бронза —
сплав меди с оловом (добавки: Zn, Pb, Al, Mn, Si); латунь — сплав меди с цинком (добавки: Zn, Mn, Al, Pb, Si); мельхиор, нейзильбер — сплавы меди с никелем; дюралюминий — сплав алюминия с медью (3–5%), марганцем (около 1%), магнием (около 1%); амальгамы — сплавы металлов, содержащие ртуть. При описании каждого из этих сплавов, являющихся металличе- скими материалами, допустимо одновременное использование понятия « металл» (по металлу-основе, основные свойства которого наследуются или усиливаются). 1.1. кристаллическое строение металлических материалов У всех металлов и сплавов атомы (ионы) расположены не хао- тично, а в определенном порядке, т. е. они имеют кристаллическое строение. При этом мелкие кристаллы (0,1–0,00001 мм) различно ориентированы по отношению друг к другу. В твердом состоянии металл представляет собой систему из по- ложительно заряженных ионов, омываемых «газом» из свободных коллективизированных электронов. В системе действуют электростатические силы притяжения (металлическая связь) и силы отталкивания между электронами и ионами. В качестве модели такого взаимодействия (рис. 1.1, а) можно при- нять два шара (ионы), между которыми находится пружина (сила R0 R +F +F +F −F −F −F Сила взаимодействия 1 2 3 а) б) рис. 1.1. Модель (а) и силы (б) взаимодействия двух атомов: 1 — сила отталкивания (+F); 2 — суммарная сила взаимодействия; 3 — сила притяжения (-F); R — расстояние между атомами; R0 — равновесное со- стояние
взаимодействия). В состоянии равновесия расстояние между шарами R0. Если расстояние уменьшить и сжать пружину, то между шарами появится сила отталкивания (F), которая будет стремиться вернуть их в равновесное состояние. При увеличении расстояния появится сила притяжения (-F). Атомы располагаются на таком расстоянии друг от друга, на ко- тором суммарная сила взаимодействия минимальна (равновесное состояние R0). Поэтому в металлах атомы располагаются закономерно, в геометрически правильном порядке, соприкасаясь внешними электронными сферами, образуя правильную кристаллическую решетку, соответствующую минимальной энергии взаимодействия. Кристаллическая решетка состоит из воображаемых линий и плоскостей, проходящих через точки расположения ионов в пространстве. Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом объеме, называется элементарной кристаллической ячейкой. Большинство металлов имеет кристаллическую решетку трех ти- пов. 1. Объемно-центрированный куб — ОЦК (рис. 1.2, а). ОЦК имеют металлы Pb, K, Na, Li, Ti, Zrβ, W, Ta, Feα, Cr и др. 2. Гранецентрированный куб — ГЦК (рис. 1.2, б). ГЦК имеют ме- таллы Feβ, Sr, Tn, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Cu, Coα и др. 3. Гексагональная плотноупакованная решетка — ГПУ (рис. 1.2, в). ГПУ имеют металлы Mg, Tiα, Cd, Os, Zn, Coβ и др. а) б) в) a a b a рис. 1.2. Кристаллические решетки металлов: а — объемно-центрированный куб — ОЦК; б — гранецентрированный куб — ГЦК; в — гексагональная плотноупакованная решетка — ГПУ; a и b — пе- риоды ячейки
Расстояние между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке называется периодом ячейки. Он выражается в нанометрах (1 нм = 10-11 м). На одну элементарную ячейку ОЦК приходятся два атома: один в центре, другой — в вершине куба. На одну элементарную ячейку ГЦК приходятся четыре атома: один в вершине куба, а три — атомы, находящиеся в середине грани. В разных сечениях (плоскостях) решетки число атомов неодина- ково. Поэтому свойства кристалла (механические, физические и химические) в различных направлениях неодинаковы. Это свойство кристаллов называется анизотропией. 1.2. дефекты кристаллической решетки Реальный кристалл отличается от идеального. Он имеет структур- ные несовершенства (дефекты): точечные, линейные и поверхностные. 1.2.1. Точечные дефекты Вокруг узлов решетки (точек равновесия) атомы совершают ко- лебательные движения. Чем выше температура тела, тем больше энергия атомов и больше амплитуда их колебаний. Отдельные атомы реального тела всегда имеют энергию, а следовательно, и амплитуду колебаний выше средней. Эти атомы могут перемещаться между узлами решетки. Допустим, это атом № 1 (рис. 1.3, а). Вышедший из узла атом называется дислоцированным. Место, где находился атом № 1 (вакансия), не остается свободным, его занимает атом № 2 из более глубоких слоев (рис. 1.3, б, в). Далее происходит перемещение вакансии в глубь кристалла. В результате образуется решетка, представленная на рис. 1.3, г. Источником тепловых вакансий являются свободные поверх- ности, границы кристаллов, пустоты и трещины. При температурах, близких к температуре плавления, число вакансий может достигать 1 1 1 2 2 2 3 3 3 а) б) в) г) рис. 1.3. Механизм образования точечного дефекта: а–г — этапы перемещения дислоцированного атома № 1
1–2% от числа атомов в теле. При быстром охлаждении тела их можно зафиксировать (так называемые закалочные вакансии). Вакансии могут образовываться в результате пластической деформации, рекристаллизации и т. д. 1.2.2. Линейные дефекты Эти дефекты получили название дислокации. Их разделяют на краевые и винтовые. Проведем в идеальном кристалле сдвиг по плоскости М–М одной части кристалла на одно межатомное расстояние ( рис. 1.4, а). Как видно из рисунка, влево сдвинулась часть кристалла. а) I I M M B E A G D F C A E B C D F б) в) рис. 1.4. Линейные дефекты кристаллической решетки: а — краевая дислокация; б — пространственная модель образования винтовой дислокации; в — расположение атомов в области винтовой дислокации; М–М — плоскость перемещения дислокации; I–I, G — плоскости сдвига кристалла; АВ — сдвинутая часть кристалла; CD — несдвинутая часть кристалла; EF — винтовая дислокация
В верхних рядах кристалла оказалось на один атом больше, чем в нижних. Появилась лишняя плоскость I–I (экстраплоскость) в верхней части кристалла. Линия, перпендикулярная направлению сдвига кристалла, является краем экстраплоскости, называется линейной дислокацией и может достигать многих тысяч межатомных расстояний. Происхождение винтовой дислокации немного сложнее. Разре- жем кристалл по плоскости G (рис. 1.4, б) и часть его (АВ) сдвинем вверх на одно межатомное расстояние. Горизонтальные атомные плоскости изогнутся, и край каждой плоскости сомкнется с краем ближайшей соседней плоскости. Расположение атомов в сдвинутой части (AB) и в несдвинутой части (DС) даст винтовую линию. На рис. 1.4, в белыми кружками обозначены атомы сдвинутой части, черными — несдвинутой. Линия ЕF представляет собой так называемую винтовую дислокацию, при наличии которой кристалл как бы состоит из закрученных по винту кристаллографических плоскостей. Дислокации легко подвижны, так как в зоне дислокаций решетка упруго искажена. Атомы в этой зоне смещены относительно равновесных положений и стремятся переместиться в равновесные положения. 1.2.3. Поверхностные дефекты В реальном теле множества кристаллов соприкасаются между со- бой. Следовательно, тело имеет поликристаллическое строение. Отдельные кристаллы получили название зерно. Поверхностные дефекты образуются на границах зерен. Границы зерен (рис. 1.5, а) обычно представляют собой переходную область шириной 3–4 межатомных расстояний. В этой области решетка одного кристалла переходит в решетку другого, имеющего иную кристаллографическую ориентацию. Поэтому на границах зерен атомы расположены несколько иначе, чем в объеме зерна. На границах зерен в технических металлах концентрируются примеси, что еще больше нарушает правильный порядок расположения атомов. Зерна повернуты друг относительно друга на небольшие углы, и по границам скапливаются дислокации (рис. 1.5, б), а также примеси и различные посторонние включения. Такая структура называется мозаичной или блочной. В результате реальный металл имеет сложную дислокационную структуру (рис. 1.5, в), которая влияет на его свойства..
1.2.4. Диффузия Наличие вакансий определяет возможность перемещения атомов в кристаллическом теле на расстояния, превышающие межатомные для данного металла (диффузия). Перемещение атомов, не связанных с изменением концентрации в отдельных объемах, называется самодиффузией. Диффузия, связанная с изменением концентрации, назовется гетеродиффузией. Она происходит в сплавах с повышенным содержанием примесей. 1 2 3 а) б) в) рис. 1.5. Строение границ и блочной структуры кристаллов: а — размещение атомов в области границ зерен; б — малоугловая граница; в — блочная структура; 1, 3 — зерна; 2 — граница
Доступ онлайн
В корзину