Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Дальневосточный государственный

университет путей сообщения»

Кафедра «Подвижной состав железных дорог»

Э.Г. Бабенко

Конструкционные материалы для деталей технических устройств железнодорожного транспорта

Рекомендовано

Методическим советом по качеству

образовательной деятельности ДВГУПС

в качестве учебного пособия

Хабаровск

Издательство ДВГУПС

2014

УДК [620.22 : 621 : 656.2] (075.8)

ББК К 43 я73

Б 124

Рецензенты:

Кафедра «Литейное производство и технология металлов»

Тихоокеанского государственного университета (заведующий кафедрой, доктор технических наук, заслуженный деятель науки Российской Федерации, профессор Ри Хосен)

доктор технических наук, заслуженный деятель науки Российской Федерации, профессор

А.Д. Верхотуров

Бабенко, Э. Г.

Б 124

Конструкционные материалы для деталей технических устройств железнодорожного транспорта : учеб. пособие / Э. Г. Бабенко. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2014. – 223 с. : ил.

Учебное пособие соответствует ФГОС ВО по специальностям 23.05.03 «Подвижной состав железных дорог» и 23.05.01 «Наземные транспортно-технологические средства», направлению подготовки бакалавров 23.03.02 «Наземные транспортно-технологические комплексы».

Изложены общие сведения о конструкционных материалах, приведены основные положения теории сплавов, показаны основы взаимодействия звеньев системы: «состав материала – структура – свойства – технология».

Рассмотрены классификация, свойства, маркировка, назначение наиболее распространенных в промышленности и на железнодорожном транспорте групп конструкционных материалов. Дана информация о европейской, американской и японской системах обозначения сталей.

Учебное пособие содержит задания и рекомендации по выполнению самостоятельных работ.

Предназначено для студентов 1–3-го курсов всех форм обучения, изучающих дисциплины «Материаловедение» и «Технология конструкционных материалов». Может быть полезно для инженерно-технических работников и аспирантов.

УДК [620.22 : 621 : 656.2] (075.8)

ББК К 43 я73

© ДВГУПС, 2014

Введение

Удельный вес перевозок железнодорожным транспортом в общем объеме перевозок любой страны складывается с учетом экономико-географических и этнографических факторов: размещения природных ресурсов и производительных сил, численности населения, размера территории, топливно-энергетических возможностей и др. Ежегодно в странах мира перевозится свыше 10 трлн тонн грузов и почти 15 трлн пассажиров.

В России железные дороги являются самой массовой отраслью транспорта. В настоящее время – это сложное многоотраслевое хозяйство, вобравшее в себя многие достижения науки и техники. Все его технические устройства прошли сложный путь совершенствования, насыщения результатами множества исследований в области фундаментальных наук, внедрения прогрессивных технологий и материалов. Для стабильного функционирования транспорта требуются самые разнообразные материалы: строительные, лесные химические, текстильные, бумажные, кожаные, электротехнические, смазочные, металлы, топливо и другие. Материалы необходимы для постройки железнодорожного пути, локомотивов, вагонов, устройств связи, мостов, зданий, а также для безотказной эксплуатации технических средств.

Еще в конце XVIII века знаменитый английский физик Джордж Паджет Томсон отмечал: «… в техническом процессе участвуют три элемента: знания, энергия и материалы. От этих трех элементов зависит на сколько цивилизация может господствовать над природой. Знание безусловно является главным из них».

Выбор того или иного материала или замена одного другим должны быть технически или экономически обоснованы. Для успешного решения подобных задач будущий специалист не может оставаться однобоким. Он должен быть человеком широких взглядов, в некоторой степени энциклопедистом, ему следует в какой-то мере владеть данными других наук, отличающихся от избранной им области. Все это возможно только на прочном фундаменте самого точного владения всем, что относится к его специальности. Очень важным является умение правильной трактовки полученных фактов, грамотное применение их в практической деятельности. Но так же, как практической деятельности предшествует умение, необходимыми условиями для появления умения служат знание и понимание.

Истории цивилизации присущи этапы, наиболее полно отражающие прогресс человеческого общества: получение огня, развитие скотоводства, культивирование злаковых растений и, наконец, открытие тайны превращения руды в металл. Появление металлургии в седьмом тысячелетии до нашей эры (как свидетельствуют археологические раскопки) обеспечило людей металлами и сплавами, что сыграло решающую роль в последующем развитии производительных сил.

Металлы как основной конструкционный материал с древнейших времен и по сегодняшний день являются самыми надежными помощниками человека. Почти три четверти химических элементов таблицы Менделеева, из которых состоит все существующее во Вселенной, составляют металлы. Многие из них находят широкое применение в технике и в быту. Но еще большее распространение получили сплавы, состоящие из нескольких металлических и неметаллических элементов. Как правило они обладают свойствами, превосходящими свойства чистых металлов. Одни имеют высокую твердость, износостойкость, способность выдерживать огромные давления и температуры. Другие, наоборот, очень пластичны, хорошо куются и штампуются, третьи даже плавятся в горячей воде.

В настоящее время наибольшее распространение получили так называемые «черные сплавы» – стали и чугуны, основой которых является железо. Эти сплавы относительно дешевые, имеют высокое качество.

Стали и чугуны – универсальные материалы. Изменяя их химический состав и структуру, вводя добавки других металлов, можно получать сплавы с очень широким диапазоном физико-химических и эксплуатационных свойств: сверхтвердые, жаростойкие, нержавеющие под действием даже самых сильных кислот, износостойкие, выдерживающие большие ударные нагрузки и др.

Бурное развитие машиностроения, приборостроения, авиационно-космической, энергетической и других важнейших отраслей привело к созданию нового класса высокопрочных, жаропрочных и высокомодульных материалов, называемых композиционными. Наряду с высокими удельными значениями прочности, жесткости, жаропрочности композиты могут обладать заданным комплексом различных специальных свойств – радиопоглощающих, радиопрозрачных, диэлектрических, магнитных и др. Это достигается сочетанием разнородных материалов (металлы, сплавы, керамика, полимеры, карбидов, бориды и т. д.), при котором используются полезные свойства отдельных компонентов, входящих в композицию.

Композиционные материалы сыграли существенную роль в решении многих проблем, связанных с авиацией, морским флотом, освоением космоса. В настоящее время спрос на такие материалы непрерывно возрастает, и в ближайшие годы сфера их использования будет непрерывно расширяться.

В деле создания новых материалов с уникальными свойствами неоценимое значение приобретает использование нанотехнологий.

Много внимания уделяется получению металлов высокой чистоты, в которых на миллиарды атомов основного материала приходится не более одного атома примесей. Дело в том, что многие металлы, практически свободные от примесей, резко отличаются по свойствам от тех же металлов, хотя бы немного загрязненных другими элементами. В этом отношении показателен титан. Еще в начале прошлого века металлургам не удавалось получать его чистым – в нем всегда присутствовали примеси. Всего несколько десятых долей процента делали титан хрупким, непрочным, не поддающимся механической обработке. О нем сложилось мнение, как о бесполезном материале. Но при получении титана высокой чистоты металл в корне преобразился: он оказался настолько пластичным, что легко ковался даже на холоде, его можно было прокатывать в листы, ленту, проволоку и даже в тонкую фольгу.

В последние годы у металлов появился серьезный «конкурент» в виде ряда продуктов современной химии – пластмасс, синтетических волокон, керамики, разных видов стекол и т. д. Ежегодное мировое производство одних только пластмасс измеряется сейчас миллионами тонн. Однако выплавка черных и цветных металлов растет не менее быстрыми темпами.

Каждый день миллиарды людей используют широчайший ассортимент изделий из самых разнообразных материалов. Для придания определенных свойств каждому из них необходимы знания о тех процессах, которые происходят в материалах при их получении, обработке и эксплуатации. Как нельзя точнее сказал об этом еще в XVI веке известный английский философ Ф. Бэкон: «То, что достойно существовать, – достойно быть знаемо». Потому пока будут цениться конструкционные материалы, будут цениться и знания о них.

Курс «Материаловедение. Технология конструкционных материалов», являясь одним из основных в цикле технических дисциплин при подготовке инженерных и научных кадров, дает знания о составе, структурах, свойствах конструкционных материалов, технологии их обработки, рациональному использованию в технических устройствах.

Настоящее пособие написано с целью помочь студентам и аспирантам понять сущность процессов, происходящих в конструкционных материалах при воздействии на них внешних факторов. Дать знания об основных группах конструкционных материалов, их свойствах, областях использования. Изучить основы взаимодействия звеньев системы «состав материала – структура – свойства – технология» с последующим наиболее рациональным решением задач по повышению надежной эксплуатации технических устройств, в том числе и на железнодорожном транспорте.