Технология материалов

 
 
 
 
С. Н. Иванчик, И. С. Иванчик, Е. С. Губин 
 
 
 
 
 
 
ТЕХНОЛОГИЯ  
МАТЕРИАЛОВ 
 
Учебник 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 

 
УДК 621.791 
ББК  34.641 
  И23 
 
 
Рецензенты: 
к. т. н., доцент Андрющенко Сергей Петрович; 
к. т. н., доцент Лебедев Олег Борисович 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Иванчик, С. Н.  
И23   
Технология материалов : учебник / С. Н. Иванчик, 
И. С. Иванчик, Е. С. Губин. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2024. – 408 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1929-1 
 
Освещены вопросы создания технологических деталей машин и механизмов. Рассмотрены методы получения черных металлов и сплавов. 
Для обучающихся высших учебных заведений. Может использоваться обучающимися по программам среднего профессионального образования.  
 
УДК 621.791 
ББК 34.641 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1929-1 © Иванчик С. Н., Иванчик И. С., Губин Е. С., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
В учебнике «Технология материалов» рассмотрены методы получения черных металлов и сплавов, к ним относятся 
чугуны и стали. К цветным металлам относятся все остальные, к 
неметаллическим материалам относятся пластмассы, резина, 
композиционные, и другие. Сварочное производство, получение 
неразъемных соединений, изготовление заготовок различными 
способами (литьё, ковка и другие способы) с применением современных технологий, оборудования, инструментов и приспособления. 
Приведенная в учебнике характеристика разделов является самой общей и краткой. В каждом разделе даются сведения 
о методах производства, применяемом оборудовании, вспомогательных материалах и устройствах. Все перечисленные разделы 
тесно связаны между собой, знания, полученные при изучении 
одного раздела, нужны для усвоения другого. 
Поставленные задачи должны решать высококвалифицированные выпускники высших учебных заведений, пришедшие на предприятия, в деятельности которых применение на 
практике знаний технических дисциплин имеет большое значение. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 

 
1. МЕТАЛЛЫ И МАТЕРИАЛЫ 
 
1.1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ СВОЙСТВ 
МАТЕРИАЛОВ 
 
Качество материала – это все свойства, удовлетворяющие потребности по назначению продукта. Его уровень можно определить необходимыми показателями, которые представляют собой количественную характеристику одного или 
нескольких свойств материалов. Они также определяют их качество применительно к заданным условиям изготовления и 
использования. Показатели качества, по количеству характеризуемых свойств, подразделяются на единичные и комплексные. 
Единичный показатель качества представляет собой одно свойство (например, твердость стали). Комплексный показатель 
представляет собой уже несколькими свойствами получаемой 
заготовки или продукции. Изготовленный продукт может считаться качественным только тогда, если весь комплекс свойств, 
которые оцениваются, подходит под установленные требования качества продукции. Примером данного комплексного показателя качества стали могут служить оценка, механических 
свойств, микроструктуры и макроструктуры, химического  
состава. Комплексные показатели качества устанавливаются  
ГОСТами. 
Контроль качества и его методы могут различными – это 
и визуальный осмотр, инструментальный контроль, а также органолептический анализ.  
По стадии определения качества различают:  
– контроль предварительный – оценивается качество исходного сырья; 
– промежуточный – соблюдение установленного технологического процесса; 
– окончательный – определяет качество готовой продукции, ее годность и соответствие стандартам.  
Продукция, полностью отвечающая требованиям стандартов и технических условий, считается удовлетворяющей требования и пригодной.  
4 

 
Продукция, имеющая отклонения от стандартов и дефекты, считается браком и утилизируется. 
Качество изготовляемого материала определяется его 
свойствами, химическим составом и структурой. Причем свойства материала зависят от структуры, которая, в свою очередь, 
зависит от химического состава. 
При оценке качества определяются его свойства, состав 
и оцениваются его структура материала. Химсостав может 
определяться химическим или спектральным анализом. 
Структуры материалов можно изучить различными методами: 
1. Макроанализ. С помощью макроанализа можно изучают структуру, видимую невооруженным глазом или при небольшом увеличении с помощью лупы. Макроанализ позволяет 
выявить различные особенности строения и дефекты (трещины, 
пористость, раковины и др.).  
2. Микроанализ – изучение структуры с помощью микроскопа при фокусе до 3·103 раз. Электронный микроскоп дает возможность рассмотреть структуру при приближении до 
25·103 раз.  
3. Рентген. Его применяют для выявления внутренних дефектов. Рентгеновские лучи, проходящие через материал и через 
дефекты, ослабляются в разной степени. Глубина проникновения 
рентгеновских лучей в сталь составляет 80 мм. Эту же физическую 
основу имеет просвечивание гамма-лучами, но они способны проникать на большую глубину (для стали – до 300 мм). Просвечивание радиолучами сантиметрового и миллиметрового диапазона 
позволяет обнаружить дефекты в поверхностном слое неметаллических материалов, так как проникающая способность радиоволн в 
металлических материалах невелика.  
4. Магнитная дефектоскопия позволяет выявить дефекты в поверхностном слое (до 2 мм) металлических материалов, 
обладающих магнитными свойствами и основана на искажении 
магнитного поля в местах дефектов.  
5. Ультразвуковая дефектоскопия позволяет осуществлять эффективный контроль качества на большой глубине. Она 
основана на том, что при наличии дефекта интенсивность проходящего через материал ультразвука меняется.  
5 

 
6. Капиллярная дефектоскопия служит для выявления 
невидимых глазом тонких трещин. Она использует эффект заполнения этих трещин легко смачивающими материал жидкостями.  
Механические свойства характеризуют способность материалов сопротивляться действию внешних сил. К основным 
механическим свойствам относятся:  
Прочность – это способность материала сопротивляться 
разрушающему воздействию внешних сил. 
Твердость – это способность материала сопротивляться 
внедрению в него другого, более твердого тела под действием 
нагрузки. 
Ударная вязкость – свойство материала сопротивляться 
разрушению под действием динамических нагрузок. 
Упругость – это свойство материалов восстанавливать 
свои размеры и форму после прекращения действия нагрузки. 
Пластичностью – называется способность материалов 
изменять свои размеры и форму под действием внешних сил, не 
разрушаясь при этом. 
Хрупкость – это свойство материалов разрушаться под 
действием внешних сил без остаточных деформаций. 
При статических испытаниях на растяжение определяют 
величины, характеризующие прочность, пластичность и упругость материала. Испытания производятся на цилиндрических 
(или плоских) образцах с определенным соотношением между 
длиной l0 и диаметром d0. Образец растягивается под действием 
приложенной силы Р (рисунок 1.1, а) до разрушения. Внешняя 
нагрузка вызывает в образце напряжение и деформацию. 
Напряжение ı – это отношение силы Р к площади поперечного сечения F0, МПа: 
 
ı = 
௉
ி
బ. 
 
Деформация характеризует изменение размеров образца 
под действием нагрузки, %: 
 
 
где l1 – длина растянутого образца.  
İ = ቂ
ሺ௟భା௟బሻ
௟బ
ቃ × 100, 
6 

 
Деформация может быть: 
– упругой – исчезающей после снятия нагрузки; 
– пластической – остающейся после снятия нагрузки. 
При испытаниях строится диаграмма растяжения, представляющая собой зависимость напряжения от деформации. На 
рисунке 1.1 приведена такая диаграмма для низкоуглеродистой 
стали. После проведения испытаний определяются следующие 
характеристики механических свойств. 
Предел упругости ıу – это максимальное напряжение, 
при котором в образце не возникают пластические деформации. 
Предел текучести ıт – это напряжение, соответствующее площадке текучести на диаграмме растяжения (рису- 
нок 1.1). Если на диаграмме нет площадки текучести (что 
наблюдается для хрупких материалов), то определяют условный 
предел текучести ı0,2 – напряжение, вызывающее пластическую 
деформацию, равную 0,2 %.  
 
 
 
Рисунок 1.1 – Статические испытания на растяжение: 
а – схема испытания; б – диаграмма растяжения 
 
Предел прочности (или временное сопротивление) ıв – 
это напряжение, отвечающее максимальной нагрузке, которую 
выдерживает образец при испытании.  
7 

 
௟బ
ቃ × 100, 
Относительное удлинение после разрыва į – отношение 
приращения длины образца при растяжении к начальной длине 
l0, %: 
 
į = ቂ
ሺ௟ೖା௟బሻ
 
где lк – длина образца после разрыва. 
 
Относительным сужением после разрыва ȥ называется 
уменьшение площади поперечного сечения образца, отнесенное 
к начальному сечению образца, %: 
 
ȥ = ቂ
ሺி
బିிೖሻ
ி
బ
ቃ × 100, 
 
где Fк – площадь поперечного сечения образца в месте разрыва.  
 
Относительное удлинение и относительное сужение характеризуют пластичность материала. 
Твердость металлов измеряется путем вдавливания в 
испытуемый образен твердого наконечника различной формы. 
Метод Бринелля заключается во вдавливании шарика 
(стального или из твердого сплава) в образец (изделие) под действием усилия, приложенного перпендикулярно к поверхности 
образца, в течение определенного времени, и измерении диаметра отпечатка после снятия усилия. Число твердости по Бринеллю НВ определяется отношением нагрузки, действующей на 
шарик, к площади поверхности полученного отпечатка. 
Метод Роквелла основан на вдавливании в испытуемый 
образец закаленного стального шарика диаметром 1,5875 мм 
(шкала В) или алмазного конуса с углом при вершине 120° 
(шкалы А и С). Вдавливание производится под действием двух 
нагрузок – предварительной равной 100 Н и окончательной равной 600, 1000. 1500 Н для шкал А, В и С соответственно. Число 
твердости по Роквеллу HRA, HRB и HRC определяется по разности глубин вдавливания. 
8 

 
В методе Виккерса применяют вдавливание алмазной 
четырехгранной пирамиды с углом при вершине 136°. Число 
твердости по Виккерсу HV определяется отношением приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка. 
Ударная вязкость определяется работой A, затраченной 
на разрушение образца, отнесенной к площади его поперечною 
сечения F; Дж/м2: 
 
KC =  
஺
ி. 
 
Испытания проводятся ударом специального маятникового копра. Для испытания применяется стандартный надрезанный образец, устанавливаемый на опорах копра. Маятник определенной массы наносит удар по стороне противоположной 
надрезу. 
Технология материалов представляет собой накопленные знания о способах изготовления материалов и средствах их 
переработки в целях производства изделий различных нужд. 
Металлы и сплавы производят путем выплавки при высоких 
температурах из различных металлических руд. Отрасль промышленности, занимающаяся производством металлов и сплавов, называется металлургией. Полимеры (пластмассы, резина, 
синтетические волокна) изготовляются чаще всего с помощью 
процессов органического синтеза. Исходным сырьем при этом 
служат нефть, газ, каменный уголь. 
Готовые изделия и заготовки для дальнейшей обработки 
из металлов и сплавов производятся путем литья или обработки 
давлением. 
Литейное производство занимается изготовлением изделий путем заливки расплавленного металла в специальную 
форму, внутренняя полость которой имеет конфигурацию изделия. Различают литье в песчаные формы (в землю) и специальные способы литья. 
Литейные формы из песка разрабатываются путем уплотнения формовочных смесей, основой которых является кварцевый песок.  
9 

 
К специальным способам относится: литье в кокиль 
(специальная металлическая форма), литье под давлением (заливка металла в металлическую форму и его застывание происходит под избыточным давлением), центробежное литье (металл 
заливается во вращающуюся металлическую форму), литье в 
оболочковые формы (формы из мелкого песка со связующим), 
литье по выплавляемым моделям – керамическая форма изготовляется путем погружения модели из легкоплавкого материала (парафина, стеарина) в керамическую суспензию и последующей выплавки модели из формы.  
Сплавы, предназначенные для получения деталей литьем, называются литейными. 
Обработкой металлов давлением называют изменение 
формы заготовки под воздействием внешних сил. К видам обработки металлов давлением относятся: 
– Прокатка. Она заключается в обжатии заготовки между вращающимися валками. 
– Прессование – металл выдавливается из замкнутого 
объема через отверстие. 
– Волочение – протягивание заготовки через отверстие. 
– Ковка – процесс свободного деформирования металла 
ударами молота или давлением пресса.  
– Штамповка – получение детали с помощью специального инструмента – штампа, представляющего собой металлическую разъемную форму, внутри которой расположена полость, соответствующая конфигурации детали.  
Сплавы, предназначенные для получения деталей обработкой давлением, называют деформируемыми. 
Сравнительно новым направлением производства металлических деталей является порошковая металлургия, которая 
занимается производством деталей из металлических порошков 
путем прессования и спекания. 
Изделия из пластмасс получают путем прессования, литья или выдавливания. Резиновые изделия получают обработкой 
между валами (каландрированием), выдавливанием, прессованием или литьем с последующей вулканизацией. Изделия из керамических материалов получают путем формования и обжига 
или прессования и спекания. 
10