Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Е. П. Чинков, А. Г. Багинский

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Рекомендовано в качестве учебного пособия Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета

Издательство

Томского политехнического университета

2012

УДК 620.22(075.8)

ББК

Ч

Чинков Е.П.

Ч Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебное пособие. – 3-е изд., испр. и доп. / Е.П. Чинков, А.Г. Багинский; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. − Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. – 216 с.

В учебном пособии в краткой форме изложены закономерности формирования структуры и свойств металлических и неметаллических материалов, используемых в машиностроении. Большое внимание уделено фундаментальным основам теории и технологии термической обработки металлических материалов. Изложены основы технологии литейного производства, обработки давлением, сварки, механической обработки.

Учебное пособие соответствует программе дисциплины и предназначено для студентов немашиностроительных специальностей.

Пособие написано на основе лекций, прочитанных авторами на кафедре «Материаловедения и технологии металлов» ТПУ студентам дневной формы обучения.

УДК 620.22(075.8)

ББК

Рецензенты

Доктор технических наук, профессор,

старший научный сотрудник Института физики

прочности и материаловедения СО РАН Б. П. Гриценко

Главный инженер ООО «Томский

инструментальный завод».

Н. В. Коробейников

© ГОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», 2012

© Чинков Е.П., Багинский А.Г. 2012

© Оформление. Издательство Томского политехнического университета, 2012

Введение

Получение, разработка новых материалов и способы их обработки являются основой современного производства, уровень развития которого определяет научно-технический и экономический потенциал страны. Проектирование конкурентно-способных изделий, организация их производства невозможны без достаточного уровня знаний в области материаловедения и технологии конструкционных материалов.

Материаловедение – наука о строении и свойствах металлических и неметаллических материалов, их взаимосвязи и возможности изменения для рационального использования в технике.

Разнообразие свойств материалов является главным фактором, предопределяющим их широкое применение в технике. В современной технике имеется огромное количество различных устройств, машин и механизмов, строительных конструкций, приборов, оборудования и инструментов, которые работают в жестких условиях износа, а также воздействия высоких нагрузок, агрессивных сред, высоких и низких температур. Для того чтобы обеспечить их работоспособность, надежность и долговечность, инженер должен иметь представление о возможности формирования необходимых свойств современных материалов, уметь ориентироваться во множестве вариантов и владеть основами знаний, необходимых при выборе материала для конкретных деталей и изделий. Кроме того, инженер должен знать возможности прогнозирования необходимых свойств используемых материалов и изготавливаемых из них деталей и изделий.

Технология конструкционных материалов – совокупность знаний о современных методах обработки конструкционных материалов, об оборудовании, применяемом для получения деталей машин с необходимой точностью и качеством, и о рациональном их использовании.

При конструировании машин и оборудования инженер должен иметь представление о взаимосвязи конструкции изделия с технологией ее изготовления. Знать технологические методы получения и обработки заготовок и деталей машин, области их рационального применения, технологические возможности типового оборудования, используемого на своем предприятии. Уметь правильно выбрать метод изготовления заготовок и деталей машин в соответствии с требованиями к точности и качеству, и обязательно с учетом условий последующей эксплуатации готового изделия. Уметь выполнить сравнительный анализ различных вариантов технологического процесса.

Часть I Материаловедение

1. Строение и свойства материалов

1.1. Классификация материалов

Материал – вещество (совокупность веществ), из которого изготовлено техническое изделие, имеющее функциональное значение.

Конструкционные материалы – материалы, из которых изготавливаются детали машин и конструкций, работающих под нагрузкой.

Все материалы можно классифицировать по:

- природе – на металлические, неметаллические и композиционные;

- технологическому признаку – на деформируемые, литые, свариваемые и др.;

- условиям работы – на термостойкие, износостойкие и др.;

- прочности – на материалы низкой, средней и высокой прочности.

Металлические материалы классифицируют по:

- основному компоненту сплава – на алюминиевые, медные, никелевые, на железной основе и др.;

- типу упрочнения – на закаливаемые, азотируемые и др.;

- структурному составу – на одно-, двух- и многофазные.

Кроме того, металлы можно разделить на:

- черные металлы – железо и его сплавы (стали, чугуны) с содержанием железа не менее 50 %;

- цветные – металлы и их сплавы, имеющие естественную окраску (медь, алюминий, титан и др.);

- благородные – золото, серебро, платина и др.;

- редкоземельные – лантан, неодим, празеодим и др.

Неметаллические материалы подразделяют по изомерному составу и технологическому исполнению (прессованные, тканые, намотанные, формованные и др.) и по типам наполнителей (армирующих элементов), а так же характеру их размещения и ориентации в материале. Основные виды неметаллических материалов это:

- пластмассы – материалы на основе высокомолекулярных соединений – полимеров, чаще всего с добавками;

- керамики – материалы, полученные высокотемпературным спеканием порошков тугоплавких соединений: карбидов, окислов, нитридов, боридов и др.;

- керметы – керамики с добавлением металлической связки;

- стекла – материалы с аморфной структурой, состоящие из окислов различных элементов.

Композиционные материалы состоят из металлической или неметаллической матрицы (основы) с заданным распределением упрочнителей. Композиционные материалы подразделяются на:

- дисперсноупрочненные – полученные введением в матрицу дисперсных (мелких) частиц;

- волокнистые – упрочненные непрерывными волокнами и нитевидными кристаллами;

- слоистые – созданные путем прессования, прокатки разнородных материалов.

Рождение материала происходит в направлении усложнения структуры (рис. 1.2), отражает определенные уровни его строения