Материаловедение и технология материалов
Обзор учебного пособия "Материаловедение и технология материалов"
Данное учебное пособие, предназначенное для учащихся учреждений среднего специального образования по направлению "Инженерия и инженерное дело" и группе специальностей "Агроинженерия", представляет собой всесторонний обзор основ материаловедения и технологий обработки материалов. Книга, написанная преподавателем Барановичского технологического колледжа В. А. Слесарчуком, охватывает широкий спектр тем, от фундаментальных свойств металлов до современных методов обработки и применения различных материалов.
Основы металловедения и термической обработки
Пособие начинается с введения в материаловедение, определяя его как науку, изучающую взаимосвязь между составом, структурой и свойствами материалов, а также закономерности их изменения под воздействием различных факторов. Рассматриваются основные свойства металлов (физические, механические, химические, технологические), методы их испытаний (растяжение, твердость, ударная вязкость) и классификация конструкционных материалов.
Далее подробно рассматривается строение металлов, включая кристаллическую решетку, типы решеток и их влияние на свойства материалов. Особое внимание уделяется аллотропии железа и влиянию различных структурных составляющих (феррит, цементит, аустенит, ледебурит) на свойства железоуглеродистых сплавов.
В книге также изложены основы теории сплавов, включая диаграммы состояния двойных сплавов. Рассматриваются различные типы диаграмм (механические смеси, твердые растворы, химические соединения) и их связь со свойствами сплавов. Особое внимание уделено диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов, которая является ключевой для понимания процессов, происходящих при термической обработке сталей.
Завершает первую главу рассмотрение основ термической обработки сталей, включая отжиг, нормализацию, закалку, отпуск, обработку холодом и старение. Подробно описываются режимы термической обработки, влияние скорости охлаждения на структуру стали и методы улучшения качества сталей.
Производство черных и цветных металлов
Вторая глава посвящена производству черных металлов, в частности, чугуна и стали. Рассматриваются исходные материалы для выплавки чугуна (железные руды, кокс, флюсы), подготовка шихты к плавке и устройство доменной печи. Подробно описывается доменный процесс, включая химические реакции, происходящие в печи, и продукты доменного производства (чугун, шлак, колошниковые газы).
Далее рассматривается производство стали различными методами: в конвертерах, мартеновских и электрических печах. Описываются основные процессы, происходящие при выплавке стали, и методы улучшения ее качества.
Третья глава посвящена конструкционным материалам, включая углеродистые и легированные стали, чугуны, а также стали и сплавы с особыми свойствами. Рассматриваются области применения различных марок сталей и чугунов, а также влияние легирующих элементов на свойства сталей.
Технологии обработки материалов
Четвертая глава посвящена литейному производству, включая общие сведения о литье, формовочные и стержневые смеси, литейные формы и дефекты литья. Рассматриваются различные специальные виды литья, такие как литье в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, в металлические формы, под давлением, центробежное литье.
Пятая глава посвящена обработке металлов давлением, включая прокатку, прессование, профилирование, волочение, ковку и штамповку. Подробно описываются технологические процессы, оборудование и области применения каждого метода.
Шестая глава посвящена сварочному производству, включая различные виды сварки (дуговая, контактная, газовая, термитная, электрошлаковая), пайку, а также особенности сварки стали, чугуна, цветных металлов и пластмасс. Рассматриваются дефекты сварных швов и методы контроля качества.
Заключение
В заключение пособие кратко рассматривает экологические требования, предъявляемые к конструкционным материалам, и приводит обзор различных неметаллических конструкционных материалов (пластмассы, резины, стекло, керамика, древесные материалы).
- Среднее профессиональное образование
- 22.02.08: Металлургическое производство (по видам производства)
В. А. Слесарчук МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ Допущено Министерством образования Республики Беларусь в качестве учебного пособия для учащихся учреждений образования, реализующих образовательные программы среднего специального образования по направлению образования «Инженерия и инженерное дело» и группе специальностей «Агроинженерия» Минск РИПО 2023
УДК 620.22(075.32) ББК 30.3я723 С47 А в т о р: преподаватель УО «Барановичский технологический колледж» Белкоопсоюза В. А. Слесарчук. Р е ц е н з е н т ы: цикловая комиссия преподавателей учебных предметов общетехнического направления филиала «Молодечненский государственный политехнический колледж» УО «Республиканский институт профессионального образования» (Н. М. Халецкая); доцент кафедры «Материаловедение в машиностроении» Белорусского национального технического университета кандидат технических наук, доцент В. Г. Дашкевич. Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее части не может быть осуществлено без разрешения издательства. Выпуск издания осуществлен при финансовой поддержке Министерства образования Республики Беларусь. Слесарчук, В. А. С47 Материаловедение и технология материалов : учеб. пособие / В. А. Слесарчук. – Минск : РИПО, 2023. – 400 с. : ил. ISBN 978-985-895-177-1. В учебном пособии кратко изложены основы атомно-кристаллического строения металлов, структурообразования, фазовые превращения и диаграммы состояния двойных сплавов, строение, свойства, основные области применения металлов и сплавов. Описаны режимы термической обработки. Уделено внимание сплавам на основе цветных металлов, а также перспективным материалам – неметаллическим, порошковым и композиционным. В достаточном объеме изложены методы формообразования заготовок и деталей машин литьем, давлением, сваркой, технологии пайки и способы нанесения покрытий. Предназначено для учащихся учреждений, реализующих образовательные программы среднего специального образования по направлению образования «Инженерия и инженерное дело» и группе специальностей «Агроинженерия». УДК 620.22(075.32) ББК 30.3я723 ISBN 978-985-895-177-1 © Слесарчук В. А, 2023 © Оформление. Республиканский институт профессионального образования, 2023
ВВЕДЕНИЕ Материаловедение – это наука, устанавливающая связь между составом, структурой и свойствами материалов и изучающая закономерности их изменения при тепловых, химических, механических, электрических и других воздействиях. Целью материаловедения является создание материалов с заданными свойствами. Основные задачи материаловедения: – изучение связи химического состава и структуры материалов с их свойствами; – разработка методов направленного изменения состава и строения материалов с целью улучшения комплекса эксплуатационных характеристик изделий; – рекомендация выбора материала для конкретного назначения (конструирование). Ниже приводятся определения некоторых терминов, используемых для характеристики конструкционных материалов. Прочность – свойство материалов сопротивляться разрушению или пластической деформации под действием внешней нагрузки. Прочность характеризуется временным сопротивлением σв, МПа. Твердость – это способность материалов сопротивляться внедрению в них под действием нагрузки более твердого тела (индентора). Пластичность – свойство твердых материалов изменять без разрушения форму и размеры под влиянием внешней нагрузки или внутренних напряжений, устойчиво сохраняя образовавшуюся форму и размеры 3
Введение после прекращения этого влияния. Пластичность характеризуется относительным удлинением δ, %, показывающим, на сколько процентов удлинится образец материала, перед тем как разрушится под действием растягивающей нагрузки. Конструкционные материалы классифицируют: 1) на металлы и сплавы: – черные (железо, сплавы железа с углеродом – стали и чугуны); – цветные (медь, алюминий, дуралюмины, латуни, бронзы и др.); – тугоплавкие металлы (Тi, Nb, Мо, W, Та и др.); 2) неметаллические неорганические: – материалы на основе оксидов (Аl2О3, SiO2); – силикаты (керамика, стекло, вяжущие); – тугоплавкие соединения (карбиды, нитриды, бориды); – халькогениды (сульфиды, селениды, теллуриды); – элементарные материалы (кремний, бор, графит и др.); 3) неметаллические органические – пластмассы, резина, лакокрасочные материалы, древесные материалы, стекло и бумага; 4) композиционные: – на основе неорганических соединений (металлокерамика, стеклокерамика и др.); – на основе органических соединений (химволокно и смолы); – смешанные композиционные материалы (стеклопластики). Производство различных конструкционных материалов в нашей стране ежегодно увеличивается. На современном этапе главным направлением дальнейшего развития станет: • существенное улучшение качества металлопродукции; • техническое перевооружение предприятий черной металлургии; 4
Введение • увеличение производства холоднокатаного листа, проката с упрочняющей термической обработкой из низколегированных сталей, листа и жести (в том числе тончайшей) с защитными покрытиями, холоднокатаной ленты, фасонных и высокоточных профилей проката, а также толстого стального листа; • получение изделий с повышенной износостойкостью, долговечностью, коррозионной стойкостью; • увеличение производства деталей из металлического порошка (с целью снижения трудоемкости); • широкое вовлечение в производство металлсодержащих отходов (строительство металлургических заводов небольшой мощности в местах образования лома черных металлов и потребления металлопродукции). Вместе с тем большое внимание уделяется и развитию производства неметаллических конструкционных материалов, обладающих достаточной прочностью, жесткостью, эластичностью при низкой плотности, химической стойкостью во многих агрессивных средах, хорошими диэлектрическими свойствами. Существенная экономия металла, а также высокая технологичность изготовления изделий из неметаллических материалов обусловливают широкие перспективы их использования в машиностроении. Создание и внедрение в промышленность, строительство и сельское хозяйство новых материалов, эксплуатация современных машин, механизмов, приборов и аппаратов требуют подготовки высококвалифицированных специалистов. Содержащиеся в данном учебном пособии сведения о конструкционных материалах, об их свойствах, о рациональных методах и режимах обработки позволят учащимся овладеть знаниями, необходимыми для приобретения соответствующей специальности. 5
ГЛАВА I. ОСНОВЫ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ 1.1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Металлы составляют большинство химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева. Свойства металлов определяются их природой и строением. Различают следующие основные свойства металлов: • физические – плотность, температура плавления, линейное расширение, электро- и теплопроводность, магнитная проницаемость, способность светиться при нагревании; играют важную роль при выборе металлов для изготовления тех или иных деталей машин и механизмов; • механические – прочность, твердость, упругость, пластичность, износостойкость, вязкость и усталость; характеризуют работоспособность металла, т. е. его способность не разрушаться под нагрузкой и вместе с тем хорошо деформироваться (изменять форму и размеры); • химические – способность сопротивляться различным химическим воздействиям, в частности коррозионному воздействию различных активных сред (атмосферы, воды, кислот и т. п.); в значительной мере определяют выбор материалов при конструировании аппаратуры, применяемой в различных отраслях промышленности; • технологические – ковкость (пластическое изменение формы в холодном или нагретом состоянии под ми6
1.1. Основные свойства металлов и сплавов нимальными нагрузками), свариваемость (способность образовывать неразъемные соединения при местном нагреве кромок соединяемых изделий), литейные свойства (способность металла в жидком состоянии заполнять форму, после охлаждения представляя собой плотную однородную отливку) и др. Многие чистые металлы характеризуются низкими литейными свойствами и низкой обрабатываемостью резанием, но обладают высокой ковкостью и свариваемостью. Сплавы, наоборот, обладают высокими литейными свойствами, но плохо поддаются ковке и сварке. Металлы и сплавы, применяемые для изготовления технологического оборудования, подвергают механическим испытаниям на растяжение, твердость, ударную вязкость, усталость и износ. Испытания на растяжение проводят на образцах строго определенной формы. Согласно стандарту для испытания применяют образцы круглого сечения, диаметром рабочей части d0 > 3 мм (рис. 1.1, а). Длину расчетной части образца l0 принимают равной пяти или десяти диаметрам. Образцы длиной l0 = 5d0 называют пятикратными, l0 = 10d0 – соответственно десятикратными. В практике заводских испытаний в основном используют пятикратные образцы диаметром 5, 6 и 10 мм. Для определения характеристик прочности листов металла и труб используют образцы толщиной не менее 0,5 мм или образцы труб со сплющенными концами (рис. 1.1, б). Плоские и круглые образцы имеют головки, которые помещают в захваты испытательной машины. Для испытания металлов применяют машины, имеющие растягивающую силу F = 40…500 кН. Машины имеют специальный механизм, позволяющий автоматически записывать на ленте диаграмму растяжения – зависимость силы, растягивающей образец, от его удлинения. 7
Глава I. Основы металловедения и термической обработки металлов P P σ K σв R l0 l0 C D d0 А σТ σУ σ = Eε P P ε 4 5 3 1 0 2 а б а б Рис. 1.2. Разрывная машина для Рис. 1.1. Форма образцов испытания на растяжение для испытания Образец закрепляют между специальными захватами (рис. 1.2, а). Движение от электродвигателя через систему зубчатых колес коробки скоростей, гайку и ходовой винт передается нижнему захвату. Захват опускается, вызывая растяжение образца. Усилия, возникающие в образце, передаются на маятниковый силоизмеритель, связанный с самозаписывающим прибором, который вычерчивает диаграмму растяжения. Зависимость между нагрузкой и линейными размерами образца показана на диаграмме (рис. 1.2, б). На полученной диаграмме растяжения пластичного материала (например, малоуглеродистой стали) можно выделить характерные точки и участки. OA – участок, где выполняется закон Гука. На этом участке действуют упругие деформации. После снятия нагрузки деформации полностью исчезают. СD – площадка текучести, где материал течет без увеличения нагрузки, а полированная блестящая поверхность образца становится матовой. 8
1.1. Основные свойства металлов и сплавов DK – участок временного сопротивления. KR – участок, где образуется шейка. При достижении точки R – разрыв образца. Испытанию могут подвергаться образцы различной формы и размеров, поэтому для получения сравниваемых результатов введено понятие напряжение. Напряжением называется нагрузка на единицу площади поперечного сечения. Напряжение σ (Па) определяют по формуле σ = P/F, где P – нагрузка, Н; F – площадь поперечного сечения, мм2. Точка А соответствует напряжению σУ – пределу упругости. Выше точки А величина удлинения начинает расти быстрее величины усилия, поэтому кривая диаграммы начинает изгибаться, склоняясь к горизонту. Этот участок диаграммы называют площадкой текучести (для некоторых металлов характеризуется явно выраженной горизонтальной линией). При достижении точки D в образце наблюдается заметное остаточное удлинение. Напряжение в точке D называется пределом текучести σТ. Дальнейшее увеличение растягивающего усилия (выше предела текучести) приводит к росту удлинения и уменьшению площади поперечного сечения образца. К этому моменту усилия достигнут наибольшего значения, и в каком-то месте сечения диаметр образца уменьшится больше, чем в других местах, – образуется шейка. Образец в шейке станет наиболее тонким, и при дальнейшем увеличении нагрузки в этом месте произойдет его разрыв. Разделив наибольшую нагрузку (точка K), которую выдержал образец до разрыва, на его первоначальную площадь поперечного сечения, получим предел прочности. Пределом прочности называется напряжение, 9
Глава I. Основы металловедения и термической обработки металлов соответствующее максимальной нагрузке, которую выдержал образец во время испытания. Предел прочности обозначается σв. В точке R образец разрушается. Данными, полученными при испытании на растяжение, пользуются при определении относительного удлинения (δ) и относительного сужения (ψ) – показателей пластичности, характеризующих способность металла деформироваться не разрушаясь. С этой целью обе половины разорванного образца складывают, плотно прижимая, измеряют длину рабочей части и диаметр образца в том месте, где произошел разрыв (d1). Относительное удлинение определяется по формуле l1 – l0 δ = ⋅ 100 %, l0 где l0 – первоначальная расчетная длина, мм; l1 – расчетная длина после испытания, мм. Аналогично определяется относительное сужение: А0 – А1 ψ = ⋅ 100 %, А0 где А0 – площадь поперечного сечения образца до испытания, мм2; А1 – площадь поперечного сечения образца в месте разрыва, мм2. Таким образом, при испытании на растяжение одного образца можно определить следующие пять характеристик механических свойств металлов: предел упругости (σУ), предел текучести (σТ), предел прочности (σв), относительное удлинение (δ) и относительное сужение (ψ). Испытание на твердость проводят различными способами: вдавливанием в испытуемый металл стального закаленного шарика (метод Бринелля), вдавливанием стального шарика, алмазного или твердосплавного конуса (метод Роквелла) либо по величине отпечатка четырехгранной алмазной пирамиды (метод Виккерса). 10
Похожие