Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана

ыо

ИЗ V

УДК 621.002.3(075.8) ББК 34.651 М34

Рецензенты: д-р тпехп. наук, проф. М.Г. Карпмап; кафедра материа­ловедения и технологии обработки материалов « МАТИ» Российско­го государственного технологического университета им. К.Э. Циолков­ского

Авторы: Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин, Н.М. Рыжов,

В.И. Силаева

М34 Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Ма­карова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. - 8-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 648 с.: ил.

15ЕШ 978 5-7038 1860-2

В восьмом, стереотипном издании учебника (7-е изд. в 2005 г.), изложены закономерности формирования структуры материалов при затвердевании, пла­стическом деформировании и термической обработке; показана взаимосвязь ком­плекса физико-механических свойств материалов со структурой; обосновано обес­печение прочности, надежности и долговечности деталей благодаря рациональ­ному выбору материалов с учетом условий эксплуатации. С позиций эксплуата­ционных требований рассмотрены особенности свойств, обработки и применения металлических и неметаллических материалов современных приборов и машин.

Содержание учебника соответствует программе и курсу лекций, которые авторы читают в МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Для студентов высших технических учебных заведений машино- и прибо- ростроительных специальностей.

У ДК 621.002.3(075.8) ББК 34.651

[ Библиотека 1 ИТМО

151Ш 978-5-7038 1860-2

© Коллектив авторов, 2001 © Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001

ПРЕДИСЛОВИЕ

Восьмое, стереотипное (7-е изд. в 2005 г.) издание учебника « Материало­ведение», соответствует учебным программам курса «Материаловедение», ко­торый авторы на протяжении многих лет читают в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана.

Издание учебников по этой дисциплине стало традицией кафедры матери­аловедения. Первый в нашей стране учебник для машиностроительных вузов был издан в МВТУ им. Н.Э. Баумана профессором И.И. Сидориным в 1930 г. В 1976 г. под его редакцией вышел в свет учебник «Основы материаловедения», в котором был обобщен опыт преподавания этой дисциплины студентам машино­строительных и приборостроительных специальностей. Во втором издании учеб­ника, выпущенного в 1986 г. под общей редакцией профессора Б.Н. Арзамасова, промышленные материалы были классифицированы по эксплуатационным свой­ствам. Это усилило практическую направленность его разделов и предоставило будущим конструкторам и технологам лучшие возможности для оценки и выбора материалов. Авторы учебника были удостоены Государственной премии СССР. Положительная оценка учебника со стороны научно-технической общественности позволила авторам сохранить такую же структуру в настоящем издании.

Переработку учебника проводили с учетом развития конструкционных и ин­струментальных материалов, а также способов их обработки. Несмотря на то, что некоторые вопросы, рассмотренные в учебнике, являются факультативны­ми для машиностроительных либо приборостроительных специальностей вузов, авторский коллектив считает их изложение целесообразным, полагая, что фа­культативность определяется учебной программой каждого вуза в отдельности.

Новый вариант учебника подготовлен авторским коллективом: профессора­ми Б.Н. Арзамасовым, Г.Г. Мухиным, Н.М. Рыжовым и доцентами В.И. Макаро­вой и В.И. Силаевой.

Авторы выражают благодарность Фонду авиационно-космических техноло­гий за финансовую поддержку этого издания.

Авторы благодарны рецензентам, чл.-корр. РАН, д-ру техн. наук, проф. А.А. Ильину и д-ру техн. наук, проф. М.Г. Карпману, а также коллективу кафе­дры «Материаловедение». Авторы признательны инженеру кафедры С.А. Ко- туновой за помощь в оформлении книги.

ВВЕДЕНИЕ

Материаловедение - наука о материалах, их строении и свойствах уходит своими корнями в далекое прошлое. Во все времена использование природных и созданных человеком материалов зависело от прочности, на­дежности и долговечности выполненных из них изделий. Сегодня металлы и их сплавы являются самым обширным и универсальным по применению классом материалов. Центральное место среди них занимают две груп­пы сплавов железа - стали и чугуны. Производство стали превышает производство алюминия - второго после железа металла по масштабам производства и применения - в несколько десятков раз.

Как всякая наука, материаловедение представляет собой совокуп­ность знаний, полученных расчетным и экспериментальным путем, ко­торые позволяют сделать обобщения и выводы, а также предвидеть пути развития науки о материалах.

Теоретической основой материаловедения являются соответствую­щие разделы физики и химии, однако наука о материалах развивается в основном экспериментальным путем.

Материаловедение является поистине интернациональной наукой, ее теоретические основы были заложены трудами ученых разных стран. Среди них необходимо выделить американца Джозайи Уилларда Гиббса (1839 - 1903 гг.) - основоположника физической химии.

Д.К. Чернов (1839-1921 гг.) открыл в 1868 г. критические точки в сталях, заложив тем самым научные основы термической обработки.

Значительный вклад в развитие материаловедения внесли русские ученые П.П. Аносов (1799 - 1851 гг.) и Д.И. Менделеев (1834 - 1907 гг.), англичанин Роберт Аустен (1843 - 1902 гг.), немец А. Мартенс (1850 - 1914 гг.).

XX век ознаменовался крупными достижениями в теории и практи­ке материаловедения: были созданы высокопрочные материалы для дета­лей и инструментов, разработаны композиционные материалы, открыты сверхпроводники, применяющиеся в энергетике и других отраслях техни­ки, открыты и использованы свойства полупроводников. Одновременно совершенствовались способы упрочнения деталей термической и химико­термической обработкой. Огромное значение для развития отечественно­го материаловедения в наше время имели работы А.А. Бочвара, Г.В. Кур- дюмова, В.Д. Садовского и В.А. Каргина.

Условия работы современных машин и приборов выдвигают требова­ния прочности и стойкости материалов в широком интервале температур - от — 269 °С у сжиженного гелия до 1000 °С и выше при динамических нагрузках, в вакууме и в горячих потоках активных газов. Решение важ­нейших технических задач, связанных с экономным расходом материалов, уменьшением массы машин и приборов во многом зависит от развития материаловедения. Непрерывный процесс создания новых материалов для современной техники обогащает науку о материалах.

Авторы учебника принадлежат к школе профессора Ивана Иванови­ча Сидорина, который в 1925 г. начал читать курс лекций по матери­аловедению и термической обработке для студентов-механиков в МВТУ им. Н.Э. Баумана, а в 1929 г. там же организовал кафедру. Его инже­нерная и научная деятельность были связаны с развитием отечественной авиации, он активный участник создания первых металлических самоле­тов, построенных по проектам А.Н. Туполева. Профессор И.И. Сидорин был инициатором открытия Всероссийского института авиационных ма­териалов, где в течение ряда лет он был заместителем начальника.

В годы Великой Отечественной войны профессор И.И. Сидорин был главным металлургом завода № 45, ныне Московского машиностроитель­ного производственного предприятия «Салют», которому присвоен ста­тус Федерального государственного унитарного предприятия.

Раздел 1

ЗАКОНОМЕРНОСТИ

ФОРМИРОВАНИЯ

СТРУКТУРЫ

МАТЕРИАЛОВ

Глава 1

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

1. Кристаллические и аморфные тела

В природе существуют две разновидности твердых тел, различающи­еся по своим свойствам, — кристаллические и аморфные.

Кристаллические тела остаются твердыми, т.е. сохраняют придан­ную им форму до вполне определенной температуры, при которой они переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обрат­ном направлении. Так, у чистых металлов переход из одного состояния в другое протекает (рис. 1.1) при определенной температуре плавления.

Аморфные тела при нагреве размягчаются в большом температурном интервале, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении.

Кристаллическое состояние твердого тела более стабильно, чем аморфное.

А

Рис. 1.1. Кривая охла­ждения при кристалли­зации металла

морфные тела в отличие от жидкостей имеют пониженную подвиж­ность частиц. Аморфное состояние можно зафиксировать во многих орга­нических и неорганических веществах ускоренным охлаждением из жид­кого состояния. Однако при повторном нагреве, длительной выдерж­ке 20...25°С, а в некоторых случаях при деформации нестабильность аморфного твердого тела проявляется в частичном или полном переходе в кристаллическое состояние.

Примерами такого перехода могут служить помутнение неорганических стекол при нагреве, частичная кристаллизация плавленого янтаря при нагреве, а также резины при растяжении, сопровождающаяся упрочнением.

Кристаллические тела характеризуются упорядоченным расположением в пространстве частиц, из которых они составлены (ионов, ато­мов, молекул).

Свойства кристаллов зависят от электронного строения атомов и ха­рактера взаимодействия их в кристалле, от пространственного располо­жения частиц, химического состава. Все эти детали строения кристаллов описывает понятие «структура».

В зависимости от размеров структурных составляющих и применяе­мых методов их выявления используют следующие понятия: тонкая струк­тура, микро- и макроструктура.

Тонкая структура описывает расположение частиц в кристалле и электронов в атоме; изучают ее дифракционными методами (рентгено­графия, электронография, нейтронография). Анализируя дифракционную картину, получаемую при взаимодействии атомов кристалла с коротки­ми волнами (А = Ю^-10 ... 10^-12 м) рентгеновских лучей (или волн элек­тронов, нейтронов), можно получить обширную информацию о строении кристаллов.

Большинство материалов состоит из мелких кристалликов (зерен). Наблюдать такие мелкие структурные составляющие — микроструктуру можно с помощью оптического (до 10~⁷ м) или электронного (до 2-Ю^-10 м) микроскопа.

Микроскопические методы дают возможность определить размеры и форму кристаллов, наличие различных по своей природе кристаллов, их распределение и относительные объемные количества, форму инородных включений и микропустот, ориентирование кристаллов, наличие специ­альных кристаллографических признаков (двойникование, линии сколь­жения и др.). Это далеко не полное перечисление характеризует обшир­ность тех сведений, которые можно получить при помощи микроскопа.

Изучая строение кристаллов — макроструктуру — невооруженным глазом или при небольших увеличениях с помощью лупы, можно выявить характер излома, усадочные раковины, поры, размеры и форму крупных кристаллов. Используя специально приготовленные образцы (шлифован­ные и травленые), обнаруживают трещины, химическую неоднородность, волокнистость.

Исследование макроструктуры, несмотря на свою простоту, является очень ценным методом изучения материалов.