Раздел I. Строение и свойства материалов

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

 

Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию

в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ)

в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки: «Технология, оборудование и автоматизация

машиностроительных производств», «Конструкторско-технологическое

обеспечение машиностроительных производств», «Автоматизированные

технологии и производства»

 

 

Издание 3-е, дополненное и переработанное

 

 

Омск

Издательство ОмГТУ

2012

УДК 620.22+669+621.74(075)

ББК  30.3+34.3+34.61я73

М34

 

Авторский коллектив:

В. С. Кушнер, А. С. Верещака, А. Г. Схиртладзе,

Д. А. Негров, О. Ю. Бургонова

 

Рецензенты:

И. Г. Браилов, д-р техн. наук, проф. кафедры «Прикладная механика»

СибАДИ;

А. А. Рауба, д-р техн. наук, проф. кафедры «Технология транспортного

машиностроения и ремонта подвижного состава» ОмГУПС

 

 

Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебник / [В. С. Кушнер и др.]. – Изд. 3-е, доп. и перераб. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2012. – 448 с.: ил.

ISBN 978-5-8149-1357-9

В учебнике рассмотрены строение и свойства металлов. Приведены необходимые сведения о конструкционных, инструментальных и специальных сталях и сплавах, а также сплавах на основе титана, меди, алюминия. Дано описание неметаллических материалов. Приведены способы фор­мо­образования заготовок в литейном производстве, а также заготовок и деталей машин резанием, обработкой давлением, сваркой, электро-фи­зи­­ко-химическими и нетрадиционными технологиями.

Учебник предназначен для студентов машиностроительных направлений и специальностей всех форм обучения.

УДК 620.22+669+621.74(075)

ББК 30.3+34.3+34.61я73

 

 

ISBN 978-5-8149-1357-9

© ОмГТУ, 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие................................................................................................. 8

Раздел I. Строение и свойства материалов............................................... 12

1. Строение, структура и свойства металлов и сплавов................................................... 12

1.1. Агрегатные состояния..................................................................... 12

1.2. Металлы и их кристаллическое строение...................................... 15

1.3. Реальное строение металлов и дефекты кристаллических решеток............. 18

1.4. Строение сплавов............................................................................ 23

1.5. Основные закономерности процесса кристаллизации,
превращения в твердом состоянии, полиморфизм....................... 25

1.6. Превращения в твердом состоянии. Полиморфизм...................... 29

2. Механические, физические и технологические свойства материалов..... 32

2.1. Свойства материалов...................................................................... 32

2.2. Деформации и напряжения............................................................. 35

2.3. Испытание материалов на растяжение и ударную вязкость......... 39

2.4. Определение твердости................................................................... 43

2.5. Упругая и пластическая деформации, наклеп и рекристаллизация............. 45

Раздел II. Структура, свойства и термическая обработка
железоуглеродистых сплавов.................................................. 50

3. Диаграмма «железо – углерод (цементит)»............................................. 50

3.1. Общий обзор диаграмм состояния................................................ 50

3.2. Компоненты, фазы и структурные составляющие
железоуглеродистых сплавов........................................................ 54

3.3. Изменения структуры сталей при охлаждении............................. 58

3.4. Изменения структуры чугунов при охлаждении.......................... 60

3.5. Классификация и свойства углеродистых сталей.......................... 62

3.6. Классификация и свойства чугунов............................................... 65

4. Термическая и химико-термическая обработка углеродистых сталей... 73

4.1. Влияние нагрева и скорости охлаждения углеродистой стали
на ее структуру............................................................................... 73

4.2. Отжиг углеродистых сталей........................................................... 82

4.3. Закалка углеродистых сталей......................................................... 85

4.4. Отпуск закаленных углеродистых сплавов................................... 92

4.5. Химико-термическая обработка сталей......................................... 95

Раздел III. Конструкционные и инструментальные материалы........... 100

5. Конструкционные стали и сплавы............................................................ 100

5.1. Влияние легирующих элементов на структуру, механические свойства сталей и превращения при термообработке...................................... 100

5.2. Маркировка и классификация легированных сталей.................... 106

5.3. Конструкционные стали................................................................. 109

5.4. Коррозионно-стойкие стали........................................................... 115

5.5. Жаропрочные стали и сплавы........................................................ 120

5.6. Жаростойкие стали и сплавы.......................................................... 126

5.7. Инструментальные стали и сплавы для обработки материалов
резанием.......................................................................................... 129

5.8. Инструментальные стали для обработки давлением.................... 134

6. Титановые, медные и алюминиевые сплавы............................................. 139

6.1. Титан и его сплавы.......................................................................... 139

6.2. Медь и ее сплавы............................................................................. 144

6.3. Алюминий и его сплавы................................................................. 148

7. Неметаллические материалы..................................................................... 155

7.1. Полимеры и пластмассы................................................................. 155

7.2. Резиновые и клеящие материалы................................................... 161

7.3. Стекло, ситаллы, графит................................................................. 162

7.4. Композиционные материалы.......................................................... 165

Раздел IV. Способы литья в металлургии и в машиностроении.......... 171

8. Производство чугуна и стали................................................................... 171

8.1. Производство чугуна...................................................................... 171

8.2. Сущность процесса выплавки стали.............................................. 175

8.3. Производство стали в мартеновских печах и конвертерах.......... 177

8.4. Производство и повышение качества сталей и сплавов
в электропечах................................................................................ 180

9. Способы литья........................................................................................... 184

9.1. Изготовление песчаных литейных форм....................................... 184

9.2. Основные операции получения отливок в песчаных формах....... 189

9.3. Закономерности охлаждения отливок в литейных формах.......... 191

9.4. Литье в оболочковые формы и по выплавляемым моделям......... 197

9.5. Литье в металлические формы, под давлением, центробежное литье.......... 202

Раздел V. Обработка металлов давлением в металлургии
и машиностроении.................................................................... 212

10. Горячая и холодная обработка металлов давлением. Прокатка.......... 212

10.1. Горячая и холодная обработка металлов давлением................. 212

10.2. Нагрев заготовок перед обработкой давлением......................... 214

10.3. Прокатка: схемы процесса, продукция, оборудование
и инструмент................................................................................... 219

10.4. Деформации при прокатке........................................................... 223

10.5. Мощность и усилия деформирования при прокатке.................. 226

10.6. Теплообмен и температура при горячей прокатке..................... 229

11. Волочение и прессование........................................................................ 232

11.1. Волочение: схема процесса, продукция, оборудование
и инструмент................................................................................... 232

11.2. Деформации и напряжения при волочении................................. 236

11.3. Работа, мощность и усилия при волочении................................. 240

11.4. Температура при волочении........................................................ 243

11.5. Прессование: схемы процесса, продукция, инструмент.............. 244

11.6. Деформации, работа и усилия деформирования при прессовании........... 247

12. Способы обработки металлов давлением в машиностроении.............. 248

12.1. Общая характеристика операций ковки и горячей объемной штамповки......................................................................................................... 248

12.2. Оборудование для ковки и штамповки........................................ 251

12.3. Деформации, работа и усилия при различных операциях ковки
и штамповки................................................................................... 256

12.4. Нагрев и охлаждение штампов при горячей штамповке............ 258

12.5. Холодная листовая штамповка.................................................... 263

Раздел VI. Технологические и физические основы обработки резанием............. 269

13. Способы обработки резанием, станки и инструменты.............................................. 269

13.1. Способы обработки резанием...................................................... 269

13.2. Металлорежущие станки.............................................................. 275

13.3. Режущие инструменты, действительные углы режущего лезвия............... 280

13.4. Характеристики режима резания и сечения срезаемого слоя..... 285

14. Деформации, силы и температуры при резании.................................... 287

14.1. Схематизация стружкообразования и характеристики
деформаций при резании............................................................... 287

14.2. Силы при точении......................................................................... 292

14.3. Схема и расчет сил при торцовом фрезеровании....................... 297

14.4. Предел текучести и температура деформации при резании....... 298

14.5. Температура полуплоскости от равномерно распределенного
быстродвижущегося источника тепла........................................... 300

14.6. Температура передней поверхности режущего лезвия............... 301

14.7. Температура задней поверхности режущего лезвия................... 303

15. Износостойкость инструмента и режимы резания................................. 305

15.1. Изнашивание и износостойкость режущих инструментов.......... 305

15.2. Обрабатываемость материалов, характеристики
обрабатываемости.......................................................................... 311

15.3. Назначение режимов резания и параметров инструмента
при обработке резанием................................................................ 314

Раздел VII. Теплофизические основы и технологии сварочного
производства............................................................................. 322

16. Характеристика способов сварки и схематизация сварочных процессов   322

16.1. Классификация и технологические характеристики
различных способов сварки.......................................................... 322

16.2. Схематизация процессов распространения тепла при сварке.... 327

17. Способы термической сварки................................................................. 330

17.1. Ручная дуговая сварка.................................................................. 330

17.2. Тепловой баланс электрической дуговой сварки........................ 337

17.3. Автоматическая дуговая сварка под флюсом.............................. 341

17.4. Сварка в защитных газах............................................................. 343

17.5. Плазменная сварка и резка........................................................... 346

17.6. Электрошлаковая сварка.............................................................. 349

17.7. Газовая сварка.............................................................................. 351

18. Термомеханические способы сварки...................................................... 355

18.1. Электрическая контактная стыковая сварка................................ 355

18.2. Электрическая контактная точечная сварка................................ 360

18.3. Электрическая контактная шовная сварка.................................. 364

18.4. Конденсаторная сварка................................................................ 367

18.5. Сварка трением............................................................................. 369

18.6. Ультразвуковая сварка................................................................. 372

18.7. Диффузионная сварка. Механическая сварка и сварка взрывом............... 374

Раздел VIII. Технологии порошковых и полимерных материалов, электро-физико-химические и нетрадиционные методы
обработки................................................................................... 378

19. Технология изготовления деталей методом порошковой металлургии 378

19.1. Технологический процесс получения деталей
методом порошковой металлургии............................................... 378

19.2. Получение порошка исходного материала................................. 380

19.3. Формование заготовок................................................................. 384

19.4. Спекание и доводка заготовок..................................................... 392

20. Производство изделий из полимерных материалов.............................. 396

20.1. Способы формообразования деталей из полимеров
в вязкотекучем состоянии.............................................................. 396

20.2. Обработка полимеров в высокоэластичном состоянии.............. 405

20.3. Обработка полимерных материалов в твердом состоянии........ 408

20.4. Сварка полимерных материалов................................................. 410

21. Электро-физико-химические и нетрадиционные методы обработки.... 414

21.1. Классификация электро-физико-химических методов обработки............. 414

21.2. Электроэрозионная обработка.................................................... 414

21.3. Электрохимическая (анодно-химическая) обработка................. 418

21.4. Ультразвуковая размерная обработка........................................ 419

21.5. Лучевая обработка........................................................................ 421

21.6. Комбинированные процессы обработки..................................... 426

21.7. Нетрадиционные методы обработки............................................ 428

21.8. Методы формирования изделий путем наращивания поверхности.......... 431

21.9. Методы поверхностной модификации свойств изделий............. 437

Библиографический список....................................................................... 446

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Основной задачей дисциплины «Материаловедение и технология конструкционных материалов» является подготовка студентов в области материаловедения, технологии производства и обработки конструкционных материалов, формообразования заготовок и деталей машин.

Разделы I–III посвящены материаловедению. Рассмотрены строение и свойства материалов (в основном металлов и их сплавов), причем в отличие от традиционного изложения не только механические, но и основные теплофизические свойства; структура, свойства, термическая и химико-термическая обработка железоуглеродистых сплавов; легированные стали и сплавы, сплавы со специальными свойствами (коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные), инструментальные материалы, цветные металлы и сплавы на их основе и неметаллические материалы.

Изучив разделы дисциплины «Материаловедение и технология конструкционных материалов», студент должен знать:

· основные свойства материалов, обеспечивающих качество технологических процессов и изделий машиностроения, в том числе свойства сплавов со специальными свойствами (коррозионно-стойких, жаростойких и жаропрочных сплавов, а также инструментальных материалов);

· влияние свойств материалов на ресурсосбережение и надежность изделий, технологических процессов и средств автоматизации;

· основные типы кристаллических решеток и их дефекты, структуру сплавов, общие закономерности диаграмм фазового равновесия и диаграмму «Железо – цементит»;

· способы термической, химико-термической обработки; основные способы упрочнения металлов и сплавов;

· классификацию металлов, сплавов и неметаллических материалов.

Студент должен владеть:

· методами определения оптимальных и рациональных режимов термообработки, упрочнения материалов;

· методами анализа причин возникновения дефектов в материалах;

· методами проведения стандартных испытаний по определению показателей физико-химических свойств используемых материалов и готовых изделий;

· методами определения качества и состояния сплавов на основании анализа их структуры.

Раздел IV учебника посвящен металлургии и литейному производству. В начале раздела приводятся теоретические сведения, необходимые для анализа физической сути рассматриваемых процессов. Рассмотрение химических превращений и реакций позволило охарактеризовать суть процессов восстановления железа из руд при выплавке чугуна и снижения содержания углерода и примесей при выплавке стали. Процессы затвердевания и кристаллизации металла и строение слитка объяснены на основе анализа закономерностей отвода тепла в изложницу, или литейную форму.

Изучая этот раздел, студент должен иметь представление об основных закономерностях теплообмена в твердых телах, об уравнении теплопроводности и теплофизических характеристиках материалов, о закономерностях выравнивания температуры и описании их методом точечных источников, в частности о температуре стержня с постоянной температурой на торце; знать характеристики технологических процессов и оборудования, применяющихся в металлургическом и машиностроительном производствах для получения металлов и сплавов, методы расчета энергетических затрат, количественной оценки времени остывания отливок или слитков с помощью ЭВМ, основные направления повышения качества отливок и производительности металлургического и литейного производства; уметь проектировать заготовки, получаемые литьем, выбирать рациональные технологии и оценивать затраты энергии и времени, связанные с производством отливок.

Раздел V посвящен технологическим способам обработки заготовок резанием. На основе кинематического подхода даны характеристики способов лезвийной и абразивной обработки резанием, определения геометрических характеристик режущих инструментов и режима резания, деформации материала при резании.

Рассмотрено влияние схемы резания (свободного и несвободного, прямоугольного и косоугольного, стационарного и нестационарного) на технологические составляющие силы резания применительно к основным способам лезвийной обработки. Приведены теоретические и эмпирические сведения об удельных силах резания.

Методы технологической теплофизики и термомеханики использованы для определения температур в зоне стружкообразования, на передней и задней поверхностях инструмента.

Рассмотрены геометрические характеристики износа, а также дифференциальные и интегральные характеристики изнашивания режущего лезвия, выяснены связи между ними и влияние условий термомеханического нагружения режущего лезвия на его износ или пластические деформации; методики определения допускаемых режимов резания по заданным рациональным температурам или по условиям достижения критериев затупления инструмента.

Приведены основные понятия, использующиеся при разработке технологических процессов обработки резанием, методика расчета заготовок и назначения межоперационных размеров деталей, а также примеры проектирования лезвийной обработки при получении заготовок.

Изучив пятый раздел, студент должен иметь представление об условиях образования сливной стружки и вытекающих из них характеристиках (усадке стружки, относительном сдвиге), о деформациях и скоростях деформации при резании, о закономерностях распространения тепла от быстродвижущихся источников, о взаимосвязи температуры и механических характеристик обрабатываемого материала, о влиянии температуры на изнашивание инструмента; знать основные понятия, определения и расчетные формулы, характеризующие способы лезвийной и абразивной обработки резанием, методики расчета сил, температур, режимов резания, выбора рациональных инструментальных материалов и назначения рациональных режимов резания, а также методики оценки точности и шероховатости обработанных поверхностей, размеров заготовок; уметь рассчитывать оптимальные размеры заготовок, выбирать и проектировать рациональные способы обработки резанием, описывать характеристики оборудования и режущих инструментов, рассчитывать на ЭВМ и выбирать по таблицам рациональные параметры режима резания, разрабатывать технологические наладки обработки резанием, обосновывать оптимальные варианты технологических процессов обработки деталей резанием.

В разделе VIрассмотрены основные технологические способы обработки металлов давлением, применяющиеся в металлургическом производстве (прокатное производство, волочение и прессование) и в машиностроении (ковка и штамповка), а также основы получения деталей методом порошковой металлургии. Рассмотрение технологических способов обработки металлов давлением предваряется изложением необходимых теоретических сведений о напряжениях, деформациях, механических свойствах и нагреве заготовок. Наряду с описанием технологических характеристик, рассмотрены закономерности теплообмена при обработке давлением, а также методы оценки деформаций, расчета сил, работы и мощности деформирования.

Изучив этот раздел, студент должен иметь представление о характеристиках напряженного и деформированного состояния, об изменении механических характеристик материала в зависимости от температуры и других условий его деформирования, об основных схемах деформирования материалов и способах обработки давлением, о методах расчета работы и усилий деформирования, о закономерностях нагрева заготовок; знать характеристики технологических процессов и оборудования, применяющихся в металлургическом и машиностроительном производствах для получения продукции прокатного производства, волочения и прессования и заготовок с применением ковки, объемной и листовой штамповки, методы расчета энергетических затрат и усилий деформирования, основные направления повышения качества и производительности; уметь выбирать рациональные технологии и оборудование, оценивать затраты энергии и усилия деформирования, разрабатывать технологические наладки способов обработки давлением, проектировать чертежи поковок (штамповок).

Раздел VII посвящен сварочному производству. Здесь приводятся сведения о технологических и физических основах сварки, об основных источниках тепловой энергии, об электрических свойствах сварочной дуги, об источниках сварочного тока. Рассмотрены схематизация и методы расчета температуры при сварке от неподвижных и от движущихся источников тепла, баланс тепловых потоков при дуговой сварке. С применением методов технологической теплофизики к расчету температуры рассмотрены основные способы термической и термомеханической сварки.

Изучив этот раздел, студент должен иметь представление о закономерностях распространения тепла от неподвижных и движущихся источников тепла, о методах расчета температуры и тепловых потоков при осуществлении различных способов сварки; знать характеристики основных технологических процессов и оборудования, применяющихся для сварки, методы расчета энергетических затрат, теплового баланса и производительности сварки, основные направления повышения качества и производительности сварки; уметь проектировать технологические наладки сварочных процессов, выбирать рациональные сварочные технологии и оценивать затраты энергии и времени.

Раздел VIII посвящен получению заготовок методом порошковой металлургии и заготовок из полимерных материалов, а также электро-физико-хими­ческим и нетрадиционным методам обработки.

Приводятся краткие теоретические сведения о технологии получения различных деталей методом порошковой металлургии и способах производства изделий из полимерных материалов.

В этом же разделе рассмотрены физические основы методов электро-физи­ко-химической обработки, нетрадиционной обработки водонапорной и водоабразивной струями высокого давления, получения прототипов изделий и самих изделий при использовании процессов наращивания поверхности, а также особенности получения функциональных покрытий на рабочих поверхностях изделий методами химического и физического осаждения.

РАЗДЕЛ I. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

 

 

1. СТРОЕНИЕ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА
МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Агрегатные состояния

Все вещества в зависимости от температуры и давления могут находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном (рис. 1.1).

 

 

Рис. 1.1. Диаграмма состояния вещества в зависимости от давления и температуры

 

В газообразном состоянии частицы вещества не связаны между собой молекулярными силами притяжения и хаотически движутся, заполняя весь возможный объем. При обычных давлениях и температурах среднее расстояние между молекулами в газах примерно в десять раз больше, чем в твердых телах и жидкостях. Поэтому газы имеют значительно меньшие плотности, чем твердые тела и жидкости. При обычных температурах газы – хорошие диэлектрики, так как их атомы и молекулы электрически нейтральны.

При нагреве газа до высоких температур происходит его ионизация: концентрация заряженных частиц увеличивается, причем объемные плотности положительных и отрицательных электрических зарядов заряженных частиц становятся практически одинаковыми. Термически ионизированный газ отличается от обычного газа рядом особенностей, позволяющих считать его четвертым (после твердого, жидкого и газообразного) состоянием вещества – плазмой. В технике широкое применение получила «холодная», или низкотемпературная, плазма (~10³–10⁴ К).

Жидкости представляют собой вещества в конденсированном агрегатном состоянии, промежуточном между твердым и газообразным. Жидкости подобно твердым телам обладают малой сжимаемостью и большой плотностью, но в то же время подобно газам не обладают упругостью формы и легко текут. В жидкостях среднее расстояние между молекулами сравнимо с размерами самих молекул (~10 Нм = 10^–10 м) и силы межмолекулярного взаимодействия весьма значительны. Подобно частицам твердого тела молекулы жидкости совершают тепловые колебания около некоторых положений равновесия. Однако если в твердых телах эти положения равновесия неизменны (т. е. имеет место дальний порядок), то в жидкостях они время от времени изменяются: по истечении некоторого времени молекула жидкости перескакивает в новое положение равновесия, перемещаясь на расстояние, сравнимое с расстоянием между молекулами. Эти перемещения молекул жидкости обусловливают ее текучесть. Таким образом, несмотря на то что в жидкостях не соблюдается дальний порядок, как у твердых тел, для них имеет место «ближний порядок»: в среднем для каждой молекулы жидкости число ближайших соседей и их взаимное расположение одинаковы.

В твердом состоянии физические тела характеризуются стабильностью формы. При изменении формы в твердых телах возникают упругие силы, препятствующие этому изменению. В твердых телах элементарные частицы (атомы, молекулы или ионы) совершают малые тепловые колебания около некоторых фиксированных положений равновесия, т. е. имеет место «дальний порядок», вследствие которого элементарные частицы твердого тела могут располагаться по узлам кристаллических решеток.

В чистых металлах при повышении температуры происходит изменение агрегатного состояния: при превышении температуры плавления твердое состояние сменяется жидким, при превышении температуры кипения жидкое состояние переходит в газообразное. Эти температуры перехода зависят от давления.

Температура плавления – особенно важная константа свойств металла – колеблется для различных металлов в весьма широких пределах: от минус 38,9 °С для ртути, самого легкоплавкого металла, находящегося при комнатной температуре в жидком состоянии, до 3390 °С – для самого тугоплавкого металла – вольфрама.

При постоянном давлении температуры плавления вполне определенны и для наиболее распространенных в технике металлов приведены в таблице 1.1.

Переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией. Плавление – процесс, обратный кристаллизации.

Таблица 1.1