Раздел VIII. Материалы на основе полимеров

МАТЕРИАЛО ВЕЛЕНИЕ 1

ХИМИЗДАТ 2007 1

Часть первая МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 3

Часть вторая НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 11

Часть первая 11

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 11

Раздел I. Строение и свойства металлов 22

ЭШ 87

s] Z(—)Г~7/—I 108

CD 'ШШ * 112

ф № 113

ilij© © 164

/7„, 305

(А 509

J Ч 741

3X3 605

1. Керамическая технология и классификация 661 керамики

2. Свойства и применение керамических 666 материалов

МАТЕРИАЛО ВЕЛЕНИЕ 1

ХИМИЗДАТ 2007 1

Часть первая МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 3

Часть вторая НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 11

Часть первая 11

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 11

Раздел I. Строение и свойства металлов 22

ЭШ 87

s] Z(—)Г~7/—I 108

CD 'ШШ * 112

ф № 113

ilij© © 164

/7„, 305

(А 509

J Ч 741

3X3 605

1. Свойства и применение композиционных 683 материалов

Глава 38. Стали и сплавы пищевой промышленности

1. 689

   689

   693

   696

   697

   699

   699. 703

   711

   716

   716

   717

   717

   718

   719

   720

   720

   721

   734

   737

   743

   745

   755

   759

   759

   768

   774

   774. 778

   782

   Условия работы оборудования для пищевой промышленности

2. Требования к материалам для оборудования пищевых производств

3. Черные металлы в пищевой промышленности

4. Цветные металлы и сплавы

5. Биметаллы в пищевой промышленности

6. Металлическая тара и упаковка

7. Материалы, разрешенные Минздравом РФ для применения в пищевой промышленности

Раздел X. ПОКРЫТИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Глава 39. Общая характеристика покрытий и способов их нанесения

Глава 40. Металлические покрытия

1. Цинковые покрытия

2. Алюминиевые покрытия

3. Оловянные и хромсодержащие покрытия

4. Наплавка износостойкими материалами

5. Осаждение в вакууме или из газовой фазы

Глава 41. Неметаллические покрытия

1. Неорганические покрытия и способы их нанесения

2. Органические полимерные покрытия и способы их нанесения

3. Лакокрасочные покрытия

Раздел XI. ПРОБЛЕМЫ ВЫБОРА И ПРИМЕНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ Глава 42. Общие принципы выбора материалов

1. Технические условия и стандарты

2. Долговечность конструкций и виды отказов

3. Технологические свойства

Глава 43. Примеры выбора материалов

1. Литые стали для горнодобывающей техники, работающей в условиях Севера и Сибири

2. Метастабильная аустенитная сталь для топливных баков, работающих на сжиженных газах

3. Высокопрочные мартенситностареющие стали для авиакосмической техники

4. Стали для сверхпроводящих магнитов установок термоядерного синтеза

5. Литейная сталь для режущего инструмента мясоизмельчительных комплексов

I

I

Рекомендуемый библиографический список

Четвертое издание настоящего учебника в основном сохранило структуру предыдущих изданий, однако ряд глав дополнен новыми материалами и в него включен дополнительный разд. 18.7 «Нано- структурированные материалы»; полностью переработаны разд. 14.9 «Судостроительные материалы» и раздел XI «Проблемы выбора и применения материалов».

Учебник предназначен для студентов металлургических и маши­ностроительных вузов и в полном объеме может быть использован при изучении курса «Материаловедение», а отдельные разделы учебника могут служить учебными пособиями по курсам «Кристаллография», «Металлография», «Теория и технология термической обработки», «Машиностроительные материалы», «Легированные стали» и др.

Особенность данного учебника состоит в том, что в нем пред­ставлены новые разделы, которые в других аналогичных учебниках отсутствуют. К их числу относятся разделы «Радиационностойкие материалы», «Литейные стали», «Судостроительные стали», «Хладо­стойкие металлы и сплавы», «Материалы в пищевом машинострое­нии», «Хладостойкие неметаллические материалы», «Металличе­ские и неметаллические покрытия», «Проблема выбора и примене­ния материалов». Эти разделы позволяют расширить знания инже­неров и использовать их при создании современных материалов, которые все больше находят применение в экстремальных условиях (воздействие радиации, холода и т. д.). В этих случаях очень важ­ным является правильный выбор материала, способного надежно и долговечно работать в соответствующей среде.

Традиционные разделы настоящего учебника изложены с уче­том самых последних достижений металловедения и смежных наук. Приведены ГОСТы на основные используемые материалы. Ряд наи­более употребительных терминов и названий материалов снабжен их переводом на английский язык.

Настоящий учебник состоит из двух самостоятельных частей: первая - Металловедение и термическая обработка металлов и спла­вов; вторая - Неметаллические материалы. Приоритет по объему отдан металлам и сплавам, так как их доля в современном машино­строении значительно превышает долю неметаллических материалов. Такая тенденция, очевидно, сохранится и в обозримом будущем.

Книга может быть особенно полезна студентам, обучающимся по безотрывным формам обучения (дистанционное обучение), так как по ней можно изучать отдельные разделы некоторых специаль­ных курсов, например курсов «Механические испытания», «Корро­зия металлов», «Неразрушающий контроль изделий» и др. при от­сутствии учебников по этим спецкурсам.

Авторский коллектив глубоко признателен заслуженному деятелю науки и техники, д-ру техн. наук, проф. А. М. Паршину и коллективу кафедры «Материаловедение и технология материалов» Санкт-Петер­бургского государственного Морского технического университета.

Часть первая

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

ВВЕДЕНИЕ

Металловедение - прикладная наука, изучающая взаимосвя­зи между составом, строением и свойствами металлов и сплавов в различных условиях. Изучение этой дисциплины по­зволяет осуществить рациональный выбор материалов для кон­кретного применения. Металловедение - постоянно развиваю­щаяся наука, непрерывно обогащающаяся за счет разработки новых сталей и сплавов, в свою очередь стимулйрующих про­гресс во всех областях науки и техники. Только за последние де­сятилетия созданы новые полупроводники, сверхпроводящие ма­териалы, аморфные сплавы, композиционные материалы, сплавы высокой жаропрочности и радиационной стойкости, без которых невозможно развитие авиации и космонавтики, электроники, ра­диотехники и других отраслей промышленности.

Как наука металловедение насчитывает около 200 лет, не­смотря на то, что человек начал использовать металлы и сплавы еще за несколько тысячелетий до нашей эры. Только в XVIII веке появились отдельные научные результаты, позволяющие гово­рить о начале осмысленного изучения всего того, что накопило человечество за все время использования металлов.

Заметную роль в изучении природы металлов сыграли ис­следования французского ученого Реомюра (1683-1757). Еще в 1722 г. он провел исследование строения зерен в металлах. А его размышления о природе физических процессов, происходящих при термической обработке стали, и сейчас выглядят вполне со­временными.

Англичанин Григнон еще в 1775 г. обратил внимание на то, что при затвердевании железа иногда образуется столбчатая структура. Он же предположил, что металлы являются агрегата­ми, состоящими из мелких кристалликов. Ему принадлежит ши­роко известный рисунок дендрита, полученного при медленном затвердевании литого железа. Этот рисунок до сих пор воспроиз­водится в учебниках. Можно предположить, что Григнон раз­мышлял и о существовании твердых растворов.

13

!

I

В России первым, кто начал научно осмысливать проблемы металлургии и литейного дела, был М. В. Ломоносов (1711-1765). Им написано учебное руководство «Первые основания металлур­гии или рудных дел», в котором он, описывая металлургические процессы, постарался вскрыть их физико-химическую сущность.

Заметных успехов металловедение достигло лишь в XIX веке, что связано в первую очередь с использованием новых методов исследования структуры металла. В 1831 г. П. П. Аносов (1799— 1851) провел исследование булата на полированных и протрав­ленных шлифах, впервые применив микроскоп для исследования стали. Им была установлена зависимость между свойствами була­та и характером узора; тем самым он выявил существенное влия­ние процесса кристаллизации на качество булата и раскрыл тайну получения булатной стали. В своих работах П. П. Аносов изучил также влияние углерода на структуру и свойства стали, оценил роль ряда других элементов. П. П. Аносов стремился превратить металлургию из ремесла и искусства отдельных умельцев в точ­ную науку.

Значительный вклад в развитие металловедения внесли рабо­ты английского петрографа Сорби. Он впервые применил методы петрографии к исследованию стали, рассматривая под микроско­пом травленые шлифы и фотографируя структуры. В дальнейших исследованиях Сорби использовал большее увеличение, что по­зволило ему впервые наблюдать «составляющие перлы» - перлит (так назвал эту структуру впоследствии Хоу). Сорби открыл, что перлит образуется при распаде гомогенной высокотемпературной фазы, причем его образование может подавляться при закалке. Таким образом, он установил существование структурных пре­вращений в стали. Ему удалось выявить ферритную структуру Видманштетта в доэвтектоидных сталях, точно такую же, какую сам Видманштетт обнаружил в Агрэмском метеорите в 1808 г.

Серьезного внимания заслуживают работы А. С. Лаврова и Н. В. Калакуцкого, открывших в 1868 г. явление ликвации в ста­ли и установивших зависимость степени ликвации от размеров слитка. Важную роль сыграли работы Н. В. Калакуцкого по изу­чению внутренних напряжений в стали и чугуне - он впервые объяснил механизм образования остаточных напряжений и раз­работал меры по их устранению.

Несмотря на многочисленные исследования, только после 1868 г. металловедение получило развитие как самостоятель­ное научное направление. В 1868 г. великий русский ученый Д. К. Чернов (1839-1921), работавший в этот период на Обухов­ском заводе в Санкт-Петербурге, опубликовал свою знаменитую статью «Критический обзор статей г.г. Лаврова и Калакуцкого о

стали и стальных орудиях и собственные, Д. К. Чернова, исследо­вания по этому же предмету». Эта статья содержала описание ос­новополагающих точек превращения стали (точек а и Ъ Чернова). Д. К. Чернов установил наличие полиморфизма железа и показал, что для осуществления закалки стали эвтектоидного состава она должна быть нагрета до температуры выше точки а. Он оценил значение точки а в пределах 700-750 °С.

Открытие Д. К. Черновым критических точек заложило тео­ретический фундамент металловедения сталей, на основе которого стала интенсивно развиваться металловедческая наука. В частно­сти, оно послужило исходной предпосылкой для построения диа­граммы состояния железо - углерод, а также для определения истинной роли термической обработки в формировании структу­ры стали.

В 1878 г. Д. К. Чернов в работе «Исследования, относящиеся до структуры литых стальных болванок» предложил теорию кри­сталлизации стального слитка. В ней он описал порядок образо­вания и роста дендритов, привел схему структурных зон слитка и объяснил процесс образования различных дефектов в слитке (уса­дочных раковин и пористости, газовых пузырей и трещин). Здесь же он впервые высказал идеи об образовании центров кристалли­зации и скорости их роста.

Д. К. Чернов первым начал изучать процесс холодной пласти­ческой деформации стали. В своих исследованиях он одновремен­но с Людерсом описал линии скольжения на поверхности дефор­мированной стали.

Важным этапом в изучении строения сплавов явилось уста­новление У. Гиббсом правила фаз и общих принципов равновесия термодинамических систем. Правило Гиббса было опубликовано в 1876 г.

Позднее немецкий ученый Рузбум, используя значения кри­тических точек стали Чернова и применяя правило Гиббса, по­строил классическую диаграмму равновесия системы Fe - Fe₃C. Эта диаграмма имела исключительное значение для изучения стали.

Значительную роль для развития металловедческой науки сыграли работы французского ученого Ф. Осмонда (1849-1912). Он в 1888 г. уточнил значения критических точек на диаграмме железо - углерод. Большинство его исследований посвящено изу­чению структуры литой стали, а также исследованию фазовых переходов железа и его сплавов.

!

Большой вклад в развитие металловедения внес Р. Аустен. Он установил природу высокотемпературной фазы в системе желе­зо - углерод, т. е. твердого раствора, который впоследствии был

назван в его честь аустенитом. Им проведены исследования по оп­ределению скорости диффузии ряда элементов и установлению связи между температурным коэффициентом диффузии и энерги­ей активации.

Большое значение для развития металловедения имели рабо­ты, выполненные русским ученым Е. С. Федоровым (1853-1919). Эти работы положили начало самостоятельной науки - кристал­лографии. Е. С. Федоров в 1891 г. в статье «Симметрия правиль­ных систем фигур» описал 230 пространственных групп и сфор­мулировал принципы формирования кристаллических структур.

В течение всего XIX века проводились исследования, направ­ленные на разработку новых сплавов. Французский инженер Бер- тье в 1820 г. получил сплавы железа с хромом. В 1857 г. австриец Якоб впервые создал теплостойкую вольфрамовую сталь.

Однако наиболее значительным достижением в этом направ­лении можно считать разработку в 1883 г. англичанином Гад- фильдом (1858-1940) высокомарганцевых и кремнистых сталей, что можно считать началом широкого применения легированных сталей. Следует отметить, что до настоящего времени химический состав стали Гадфильда практически не изменился.

К началу XX века металловедение как самостоятельная наука уже сформировалось, что послужило основой для его интенсивно­го развития. В этот период большую роль сыграли исследования немецкого ученого Таммана, который работал в Геттингенском университете. Созданная им научная школа провела широкие ис­следования строения различных металлических систем с целью установления природы строения сплавов и условий формирования фаз. Сам Тамман опубликовал ряд важных работ, в которых впер­вые обратил внимание на сложнейшую кинетику процессов кри­сталлизации. Он считал, что процесс кристаллизации состоит из двух этапов: на первом этапе идет образование центров кристал­лизации, затем происходит рост образовавшихся зародышей.

Значительный вклад в развитие системного исследования ме­таллических сплавов внес русский ученый Н. С. Курнаков (1860- 1941). В сотрудничестве с С. Ф. Жемчужным он провел серию ис­следований металлических систем с использованием явления элек­тропроводности. Метод изучения изменений свойств в зависимости от состава сплава был положен Н. С. Курнаковым в основу разра­ботанного им физико-химического анализа сплавов. С использо­ванием такого анализа им были построены диаграммы состояния, устанавливающие взаимосвязь между составом и свойствами сплавов. Исследуя диаграммы состояния и свойства получаемых веществ, Н. С. Курнаков предложил принципы классификации интерметаллидных соединений.

Систематические исследования структурных и фазовых пре­вращений были выполнены известным американским ученым Э. Бейном (1891-1974). В 1929 г. Бейн с сотрудниками опублико­вал работу по исследованию распада аустенита при изотермиче­ском отжиге. Им первым удалось выделить продукты превраще­ния, характерные для определенных температур превращения, а не смешанные продукты, получаемые при непрерывном охлажде­нии. Бейном подробно описана структура, получаемая при про­межуточных температурах и имеющая принципиальные отличия от других структур. Впоследствии она была названа бейнитом.

В 1889 г. шотландским инженером из Глазго Дж. Райли было заявлено о создании им никелевой стали.

Разработка в 1902 г. американскими учеными Ф. Тейлором и М. Уайтом быстрорежущей стали произвела переворот в машино­строении. Резко возросла производительность механической обра­ботки, появились новые быстроходные станки и автоматы.

В 1906 г. немецкий исследователь А. Вильм создал высоко­прочный сплав алюминия с медью - дуралюмин, прочность кото­рого в результате старения в несколько раз превышала прочность технического алюминия и других алюминиевых сплавов при со­хранении достаточного запаса пластичности. Использование дур- алюмина в самолетостроении на многие годы определило прогресс в этой области техники.

Немецким инженером заводов Круппа Маурером и профессо­ром Штраусом в 1912 г. была получена хромоникелевая аусте- нитная нержавеющая сталь, а в 1912 г. Бренли - ферритная не­ржавеющая сталь.

Революционные результаты были получены французским уче­ным Юм-Розери. При изучении фазового состояния сплавов и рас­творимости компонентов друг в друге он впервые в 1926 г. ввел понятие об электронной концентрации, в результате чего стало возможным прогнозировать фазовое состояние сплавов.

Важные результаты были получены независимо друг от друга при изучении процессов старения Гинье и Престоном в 1937-1938 гг. Они установили момент начальной стадии образо­вания переходной решетки, возникающей в системе матрица - выделения в момент максимального упрочнения сплавов при ста­рении. Образующиеся в результате распада выделения стали на­зываться зонами Гинье - Престона.

Серьезные исследования по проблеме механизмов упрочнения были проведены американским ученым Коттреллом в 1948 г. (ме­ханизм закрепления дислокации примесными атомами - атмо­сферы Коттрелла), а также Холлом и Петчем в 1953 г. (зависи­мость между размером зерна и пределом текучести - зависимость Холла — Петча).

Важные пионерские работы в области изучения проблемы хрупкости материалов были проведены в 1950-1960 гг. Гриффит­сом и Ирвином. Они впервые установили размеры дефектов ме­талла, при которых может происходить хрупкое разрушение ма­териала.

Значительный вклад в развитие металловедения в XX веке внесли ученые Советского Союза и России. С. Т. Конобеевский (1880-1970) исследовал изменение структуры различных метал­лов и сплавов, подвергаемых пластическому деформированию. Им сформулированы основные принципы применения рентгено­структурного анализа и современной теории старения и распада твердых растворов.

Академиком А. А. Бочваром (1902-1984) было открыто и де­тально изучено явление сверхпластичности. Он сумел установить корреляционную связь между температурой рекристаллизации металлов и их абсолютной температурой плавления (правило Боч- вара). Серьезные результаты были получены им при исследовании особенностей формирования эвтектики у легких сплавов.

Следует отметить работы академика А. А. Байкова (1870— 1946), который получил важные результаты при исследовании фазовых превращений в металлах и сплавах, в том числе на осно­ве никеля, меди и др. Им проведено глубокое исследование высо­коуглеродистых фаз в сталях, а также доказано реальное существование аустенита в сталях.

Значительный вклад в изучение проблемы прочности метал­лов внес И. А. Одинг (1896-1964). Основные его труды связаны с созданием новых методов испытаний механических свойств ме­таллов и с изучением дислокационных механизмов упрочнения металлов и сплавов.

Важные результаты были получены С. И. Губкиным (1898- 1955) при исследовании закономерностей пластической деформа­ции металлов. Он сформулировал ряд важных положений теории течения металлов, а также ввел понятие деформируемости метал­лов, характеризующее их способность к изменению формы под давлением.

Значительных результатов в изучении механических свойств металлов и в исследовании проблемы их прочности добился

Н. Н. Давиденков (1879-1962). Им вскрыта суть процессов, про­текающих в металлах при больших ударных скоростях нагру­жения, разработана теория хладноломкости металлов. Он раз­работал метод определения критической температуры перехода металла в хрупкое состояние (сериальные испытания), а также измерения остаточных напряжений и предложил способы их уменьшения.

Широкие исследования металлических систем редких, туго­плавких, благородных и радиоактивных металлов были проведе­ны Е. М. Савицким (1912-1984). Серьезных успехов он достиг при изучении сверхпроводящих материалов и сплавов с особыми фи­зическими свойствами. Одним из первых он пытался решать за­дачу создания сплавов с заранее заданными свойствами.

В работах академика С. Т. Кишкина были получены новые научные представления о природе легирования и прочности ста­лей. Им были сформулированы принципы получения высоко­прочных и жаропрочных сталей и сплавов.

Больших достижений в области изучения алюминиевых и бе- риллиевых сплавов, а также композиционных материалов добил­ся И. Н. Фридляндер. Под его руководством созданы алюминие­вые сплавы с литием, обладающие уникальными свойствами.

Серьезный вклад в изучение проблемы мартенситного пре­вращения сделал Г. В. Курдюмов (1902-1996). Им выполнены исследования по выявлению механизма мартенситного превраще­ния, условий образования мартенсита, особенностей его кристал­лической структуры. Он открыл явление термоупругого превра­щения при фазовых превращениях мартенситного типа (эффект Курдюмова), которое дало начало работам по разработке сплавов с памятью формы.

А. С. Завьялов (1905-1985) впервые установил, что в перлит­ном интервале температур непосредственно из аустенита образу­ется не равновесный феррит, как в то время считали, а пересы­щенная углеродом a-фаза, которую А. С. Завьялов назвал в честь Д. К. Чернова - черновитом. А. С. Завьялов первым показал, что существует разновидность мартенсита, которая не имеет, как бы­ло принято считать, игольчатого строения. Эту структуру он на­звал гарденитом.

Большой вклад в развитие металловедения внес В. Д. Садов­ский (1908-1991). Он раскрыл природу структурной наследствен­ности стали при ее термической обработке, а также предложил режимы термообработки, позволяющие устранять крупнозерни­стую структуру стали, возникающую при литье, сварке, ковке и других процессах. Он исследовал и показал влияние легирую­щих элементов на кинетику изотермического превращения аусте­нита, на мартенситное превращение и распад остаточного аусте­нита при отпуске. В. Д. Садовский всесторонне изучил явление отпускной хрупкости сталей.

Значительных успехов в изучении процессов химико-терми­ческой обработки стали и в их практическом применении в отече­ственной промышленности добился Ю. М. Лахтин. Он по праву может быть отнесен к элите профессорско-преподавательского корпуса России, а его известные учебники являются настольными книгами как для студентов, так и для преподавателей.

Неоспорим вклад в отечественную науку и в процесс формиро­вания высококвалифицированных инженерных кадров А. П. Гу­ляева (1908-1998). Его глубокие исследования в области теории легирования стали, а также теории и практики ее термической обработки позволили решить ряд важных научных и практиче­ских проблем. А. П. Гуляев в течение длительного времени яв­лялся главным редактором журнала «Металловедение и термо­обработка», а его неоднократно переизданный учебник «Метал­ловедение» был лучшим учебником по металловедению на протяжении более 50 лет.

Наука о металлах все ближе подходит к тому состоянию, ко­гда можно будет с использованием компьютеров прогнозировать и рассчитывать с достаточной точностью свойства новых уникаль­ных сталей и сплавов.