Материаловедение в машиностроении

                О.С. Комаров Л.Ф. Керженцева
                Г.Г. Макаева




МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ
     Утверждено
     Министерством образования
     Республики Беларусь
     в качестве учебника для учащихся учреждений, обеспечивающих получение профессионально-технического образования по машиностроительным учебным специальностям

     Под общей редакцией
     доктора технических наук
     О.С. Комарова









     МИНСК “ВЫШЭЙШАЯ ШКОЛА” 2009

УДК 621:620.22(075.32)
ББК 34.43я722
      К63






    Рецензенты: методическая комиссия профессионально-технического цикла Минского государственного профессионального лицея № 3 машиностроения (О.В. Пасютина); проректор по научной работе Белорусско-Российского университета доктор технических наук, профессор Ф.Г Ловшенко

    Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее части не может быть осуществлено без разрешения издательства.




       Комаров, О.С.
К63 Материаловедение в машиностроении: учебник / О. С. Комаров, Л. Ф. Керженцева, Г. Г. Макаева; под общ. ред. О. С. Комарова. Минск : Выш. шк., 2009. - 304 с. : ил.
          ISBN 978-985-06-1608-1.
          Рассмотрены основы атомно-кристаллического строения металлов, процессы структурообразования, дефекты кристаллического строения, фазовые превращения и диаграммы состояния двойных сплавов. Описаны режимы термической и упрочняющей обработки, все классы сталей, их свойства и методы совершенствования, сплавы на основе цветных металлов, а также перспективные материалы — неметаллические, порошковые и композиционные. Изложены современные методы испытаний и критерии оценки конструктивной прочности материалов, определяющие их надежность и долговечность.
          Для учащихся машиностроительных специальностей профессионально-технических учебных заведений. Будет полезен мастерам производственного обучения и молодым рабочим.
УДК 621:620.22(075.32)
ББК 34.43я722

ISBN 978-985-6-1608-1

          © Комаров О.С., Керженцева Л.Ф., Макаева Г.Г., 2009
                                © Издательство «Вышэйшая школа», 2009

2

ПРЕДИСЛОВИЕ




   Материаловедение — это наука о материалах, применяемых в современном машиностроении. Круг их весьма широк. Наряду с традиционно используемыми сплавами на основе черных и цветных металлов широкое применение находят полимеры и композиционные материалы, а в последнее время — и материалы, полученные с применением нанотехнологий, а также металлы, которые за счет сверхбыстрого охлаждения имеют не кристаллическую, а аморфную структуру и вследствие этого обладают необычными свойствами.
   Курс «Материаловедение» не только дает представление о свойствах металлов, но и показывает, как эти свойства зависят от структуры, какие существуют методы управления структурой и свойствами. Упор при этом делается на управление процессами кристаллизации и изменения структуры путем термической обработки различных видов.
   Основное внимание уделяется наиболее широко используемым в современном машиностроении сплавам на основе железа. На железоуглеродистых сплавах (сталях и чугунах) изучаются общие закономерности первичной кристаллизации и превращений структуры в твердом состоянии, которые затем используются при изучении сплавов на основе цветных металлов.
   Неметаллические материалы и металлы со специальными свойствами рассмотрены менее подробно. Это связано, во-первых, с их меньшим распространением, а во-вторых, со сложностью строения и структуры, изучение которых требует глубоких знаний из курсов органической химии и физики.
   Учебник включает восемь глав. В первой главе приведены сведения о строении материалов, их свойствах и методах испытаний. Вторая посвящена теории сплавов и изучению диаграмм состояния, основной из которых является диаграмма Fe — C. В третьей и четвертой главах рассмотрены железоуглеродистые сплавы и их термическая и химико-термическая обработка, а в пятой — цветные металлы и сплавы на основе меди, алюминия, магния, титана и бериллия. Шестая глава посвящена твердым сплавам, абразивным материалам и минералокерамике, в седьмой описаны неметаллические материалы, а в восьмой изложены общие представления о прогрессивных материалах со специальными свойствами, таких как композиционные, тугоплавкие, аморфные и наноматериалы.

3

   Курс «Материаловедение» является связующим звеном между общеобразовательными дисциплинами (химия, физика) и специальными дисциплинами для термистов, слесарей-авторемонтников, литейщиков, сварщиков и т.д. Знания, полученные при изучении данного курса, позволят объяснить процессы, протекающие в материалах при их нагреве, деформации, механической обработке, и изменения, наблюдаемые в ходе эксплуатации изделий из этих материалов в различных средах и при различных нагрузках.
   Учебник основывается на одобренной Министерством образования программе, общая концепция которой базируется на трех краеугольных принципах:
   1)    непрерывность образования, предполагающая наличие органической связи между профессиональным, средним и высшим техническим образованием;
   2)    универсальность учебника, рассчитанного на использование при подготовке специалистов различных профилей (исходя из этого, в каждой главе дается максимум информационного материала, часть которого может быть сокращена или опущена для конкретных специальностей);
   3)    органическая связь между отдельными разделами (исходя из этого, учащийся должен уметь с учетом условий работы детали обоснованно выбирать материал, способ его производства, а также подбирать режимы его термической обработки).
   Материал учебника распределен между авторами следующим образом: гл. 1 и 5 написал О.С. Комаров, гл. 2-4 - Г.Г. Макаева, гл. 6-8 - Л.Ф. Керженцева.
   Авторы выражают искреннюю признательность рецензентам — членам методической комиссии профессионально-технического цикла Минского государственного профессионального лицея № 3 машиностроения (особо преподавателю общетехнических дисциплин О.В. Пасютиной) и проректору по научной работе Белорусско-Российского университета доктору технических наук, профессору Ф.Г. Ловшенко, — замечания и рекомендации которых способствовали улучшению учебника.
   Все отзывы и пожелания просьба направлять по адресу: издательство «Вышэйшая школа», пр. Победителей, 11, 220048, Минск.
Авторы

4

            1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ, СВОЙСТВАХ И МЕТОДАХ ИСПЫТАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ


1.1. Классификация металлических материалов

   Существует несколько классификаций металлов. В данном учебнике за основу принята классификация, предложенная проф. А.П. Гуляевым, согласно которой все металлы делятся на черные, имеющие темно-серый цвет, и цветные, окраска которых может быть красной, желтой и белой.
   Черные металлы подразделяются на следующие виды:
   •    железные — железо, кобальт, никель и марганец; три последних могут использоваться самостоятельно, но чаще добавляются к железу, образуя сплавы и меняя его свойства в желаемом направлении;
   •    тугоплавкие — металлы, температура плавления которых выше, чем у железа (1539 °С). К ним относятся титан, ванадий, хром, цирконий, молибден, вольфрам и другие металлы. Они используются как добавки к железу или в качестве основы для получения сплавов специального назначения;
   •    урановые — актиниды (уран, плутоний и др.), применяемые в атомной энергетике;
   •    редкоземельные — лантан, церий, неодим и другие металлы, объединяемые под общим названием лантаноидов. Их используют в качестве присадок для улучшения свойств других металлов;
   •    щелочноземельные — натрий, калий, цезий и другие металлы; в свободном металлическом состоянии в технике применяются крайне редко в связи с их химической активностью и низкими механическими свойствами.
   Цветные металлы подразделяются на следующие виды:
   •    легкие — бериллий, магний, алюминий, нашедшие широкое применение в виде сплавов в авиации, космической и автомобильной технике;
   •    благородные — серебро, золото, платина и другие металлы, обладающие высокой устойчивостью к коррозии. К этой группе может быть отнесена и медь;
   •    легкоплавкие — цинк, ртуть, олово, свинец и другие металлы, отличающиеся низкой температурой плавления; используются в основном для получения сплавов на основе других металлов.


5

   В земной коре содержится: О₂ - 47,0%; Si - 29,5; Al - 8,8; Fe -4,65; Ca, Na, K, Mg - в сумме 9% и Ti - 0,45%. На долю всех остальных элементов приходится менее 1%.
   В первом приближении металлические материалы, применяемые в технике, можно разделить на две группы: чистые металлы, используемые преимущественно в электротехнике, и сплавы нескольких металлов, которые применяются в различных областях машиностроения.


1.2. Кристаллическое строение металлов

   В твердых телах между атомами вещества существуют силы взаимодействия, обеспечивающие связь между соседними атомами. Различают ковалентную химическую связь, возникающую в том случае, когда валентные электроны становятся общими для двух атомов, и ионную, или гетерополярную, характерную для молекул, образованных из разных ионов (аниона и катиона). Типичный представитель этой группы веществ - соль NaCl. В ней натрий отдает электрон хлору, который становится отрицательно заряженным, а сам натрий - положительно заряженным.
   Для металлов характерна металлическая связь, которая возникает в результате взаимодействия положительных ионов, расположенных в пространстве в виде решетки и обобществленных электронов. Таким образом, в металле существует как бы «облако» из электронов, в результате чего эта связь допускает большее смещение атомов по сравнению с другими видами связи, что обусловливает высокую пластичность металлов. Наличие не связанных с атомами электронов объясняет высокую тепло- и электропроводность металлов.
   Твердые тела могут быть кристаллическими, атомы в которых располагаются в пространстве закономерно в трех измерениях через строго определенные для каждого вещества расстояния, и аморфными с хаотическим расположением атомов. Всего существует семь типов кристаллических решеток, но для металлов характерна кубическая (объемно центрированная или гранецентрированная) и гексагональная (рис. 1.1).
   Для характеристики величины атома служит атомный радиус, под которым понимают половину расстояния между ближайшими соседними атомами в решетке. Параметры элементарной решетки (а и с) и атомные радиусы измеряются в ангстремах (1 Л = = 10⁻⁸ см) или нанометрах (1 нм = 10⁻⁹ см = 10 Л).


6

   В объемно центрированной кубической (ОЦК) решетке атомы расположены в вершинах и в центре куба; такую решетку имеют Na, V, Feₐ, Cr, W и другие металлы. В гранецентрирован -ной кубической (ГЦК)решетке атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани; решетку такого типа имеют, например, Pb, Al, Ni, Ag, Cu, Co, Feᵣ В гексагональной плотноупа-кованной (ГП) решетке атомы расположены в вершинах и центре шестиугольных оснований и три атома — в средней плоскости призмы (Mg, Ti, Zn, Ca, Be и т.д.).

Рис. 1.1. Кристаллическое строение металлов:
а — объемно центрированная кубическая решетка; б — гранецентрированная; в — гексагональная плотноупакованная

   Наиболее важной характеристикой решетки является ее пе-риод, под которым понимают расстояние между двумя соседними параллельными кристаллографическими плоскостями в элементарной ячейке решетки. Для большинства металлов эта величина лежит в пределах 0,1...0,7 нм.



1.3. Кристаллизация металлов

   Переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией, а образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе — вторичной кристаллизацией .
   Кристаллизация обусловлена стремлением системы при определенных условиях перейти в энергетически более устой

7

Рис. 1.2. Зависимость свободной энергии F от температуры металла в жидком (Fж) и твердом (Fг) состоянии

чивое состояние с меньшей свободной энергией F. На рис. 1.2 показан характер изменения свободной энергии для жидкой и твердой фаз по мере изменения температуры системы. Выше определенной температуры, которая называется теоре-тической температурой плавления (точка Tₛ), меньшей свободной энергией обладает вещество в жидком состоянии, а ниже — в твердом. В реальных условиях процесс кристалли

зации не может начаться при температуре Tₛ, так как при данной температуре система находится в состоянии равновесия (Fж = Fт). Для того чтобы процесс кристаллизации на

чался, жидкость необходимо охладить до температуры ниже температуры в точке Tₛ. Температура, при которой реально начинается процесс крис-таллизации, называется фактической температурой кристаллизации и обозначается Ткр. Разность между теоретической температурой Tₛ и реальной Ткр, при которой протекает кристаллизация, называется степенью переохлаждения системы и обозначается А Т. При нагреве переход из

твердого состояния в жидкое также начинается при определенной степени перегрева системы.
   Кристаллизацию металлов и сплавов исследуют с помощью термического анализа, суть которого заключается в ре

гистрации температуры системы через равные промежутки времени. Для этого в тигель 1 (рис. 1.3, а) с расплавленным металлом погружают термоэлектрический термометр 2 (термопару), подключенный к регистрирующему потенциометру 3. На основании полученных данных в координатах температура — время строят кривую охлаждения (рис. 1.3, б), которая отражает последовательность протекания процессов кристаллизации.
   На рис. 1.4 приведены кривые охлаждения расплава при кристаллизации с различной скоростью охлаждения. Верхний участок кривой охлаждения показывает понижение температуры жидкого металла. При температурах, соответствующих горизонтальному участку, происходит процесс затвердевания жидкого металла. Выделение скрытой теплоты кристаллизации способствует сохранению постоянной температуры в тече
8

т

Рис. 1.3. Кристаллизация металлов:
а — схема установки для регистрации температуры; б — кривая охлаждения и схема процесса кристаллизации (L — жидкое состояние; а — твердый раствор)

ние времени, необходимого для завершения всего процесса. Нижний участок кривой соответствует охлаждению закристаллизовавшегося металла. Тонкой горизонтальной линией на диаграмме показано значение теоретической температуры кристаллизации Tₛ.
   На рис. 1.4, а приведены кривые охлаждения металла при кристаллизации с различными скоростями охлаждения. Видно, что по мере увеличения скорости охлаждения степень переохлаждения расплава возрастает и кристаллизация начинается при более низких температурах. Продолжительность кристаллизации при этом сокращается.

Рис. 1.4. Зависимость переохлаждения расплава ATот скорости охлаждения v (а) и скорости зарождения (СЗ) и роста (СР) кристаллов от величины переохлаждения расплава (б)

9

   Основы теории кристаллизации разработаны более 100 лет назад основоположником науки о металлах — металловедения — Д.К. Черновым, который установил, что кристаллизация состоит из двух процессов: зарождения мельчайших частиц твердого вещества, называемых зародышами или центрами кристаллизации , и роста кристаллов из этих центров (рис. 1.4, б).
   При переохлаждении металла ниже температуры Tₛ в объеме жидкого металла образуются устойчивые, способные к росту кристаллические зародыши. С понижением температуры размер таких зародышей и их количество возрастают. В реальных условиях центры кристаллизации образуются на тугоплавких неметаллических включениях. Рост кристалла заключается в том, что к поверхности зародышей присоединяются все новые атомы из жидкого металла. Сначала образовавшиеся кристаллы растут свободно, сохраняя правильную геометрическую форму. При столкновении растущих кристаллов их форма нарушается, и в дальнейшем рост продолжается только там, где есть свободный доступ к расплаву. В результате кристаллы не имеют правильной геометрической формы и называются зернами . Размер зерен зависит от скорости зарождения центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. На рис. 1.4, б показана зависимость этих параметров от степени переохлаждения расплава.
   Существование кристаллических решеток разных типов у одного и того же вещества при различных температуре и давлении называется полиморфизмом или аллотропией, а процесс перехода из одной кристаллической формы в другую — поли-морфным или аллотропическим превращением. Ряд элементов (Со, Ti, Mn, Sn, Ca, Li, Fe и др.) имеет два и более типов (модификаций) кристаллических решеток, которые обозначаются строчными буквами греческого алфавита (а, р, у и т.д.) начиная с той формы, которая существует при более низкой температуре.
   Процесс перехода из одной формы в другую определяется термодинамическим состоянием системы и объясняется тем, что начиная с определенной температуры (температуры перекристаллизации) новая модификация обладает меньшим запасом энергии и является энергетически более устойчивой. Температура, при которой осуществляется переход из одной модификации в другую, называется температурой полиморфного превращения.

10