Материаловедение и технология конструкционных материалов

Предисловие

Технология конструкционных материалов является комплекс­ ной дисциплиной, в которой рассматриваются основные сведе­ ния о способах производства машиностроительных материалов и методах их обработки с целью получения деталей с заданными свойствами и конфигурацией.

Предлагаемый учебник основывается на одобренной Мини­ стерством образования программе, общая концепция которой базируется на трех принципах:

□ непрерывности образования, предполагающем органиче­ скую связь между профессиональным, средним и высшим тех­ ническим образованием;

□ универсальности учебника, рассчитанного на использова­ ние при подготовке специалистов различных профилей. Исходя из этого принципа в каждом разделе дается максимум информа­ ционного материала, часть которого может быть опущена при использовании конкретными специальностями;

□ органической связи между отдельными разделами. Исходя из этого иринципа студент (учащийся) должен уметь с учетом условий работы детали выбрать материал, установить способ его производства, а также подобрать методы получения заготовки, условия и способы ее механической и термической обработки.

Данный учебник является переизданием учебника «Техноло­ гия конструкционных материалов». Он традиционно включает раз­ делы: материаловедение (О.С. Комаров, Л.Ф. Керженцева, Г.Г. Макаева, В.Н. Ковалевский), металлургия и литейное производство (О.С. Комаров), обработка металлов давлением (О.В. Хренов), сварка (Б.М. Данилко) и обработка резанием (В.Е. Чигринов).

В первом разделе рассматриваются свойства металлов и мето­ ды их изучения, кристаллизация и строение металлов и спла­ вов, способы их термической обработки. Детально описаны превращения, протекающие в сплавах при их нагреве и охлаж­ дении. Приведены классификация и свойства сталей, а также методы их улучшения. Большое внимание уделено сплавам на основе цветных металлов, а также таким перспективным мате­ риалам, как неметаллические, порошковые и композиционные.

Во втором разделе описаны способы получения чугуна, стали и цветных металлов. Особое внимание уделено физико-химиче- ским процессам восстановления металлов из руд.

Втретьем разделе рассмотрены основы современной тех­ нологии литейного производства, специальные способы литья,

атакже приведены характеристики основных литейных спла­ вов и описаны печи, применяемые для их выплавки.

Четвертый раздел посвящен обработке металлов давлением. Здесь даны представления о горячей и холодной деформации ме­ таллов, методах производства заготовок и применяемом с этой целью оборудовании.

Впятом разделе рассмотрены физические основы сварки,

атакже дана классификация ее процессов и способов.

Шестой раздел посвящен обработке материалов резанием.

Внем описаны основные процессы, протекающие при резании, приведены краткие сведения о конструкциях станков и режущих инструментов. Здесь же рассмотрены электрофизические и элек­ трохимические способы обработки.

При разработке данного учебника использован новый подход

кизложению материала по технологиям производства металлов и способам их обработки. Он базируется на следующих отличи­ тельных признаках:

□отход от традиционной описательной формы изложения

Истремление разобраться в механизме и взаимосвязях отдель­ ных этапов производства, чтобы учащиеся составили представле­

ние о физико-химической сущности технологических процессов;

□при проработке иллюстрационного материала ставилась цель отобразить на одной схеме всю совокупность этапов техно­ логического процесса производства или обработки металлов с тем, чтобы создать целостное представление о процессе, а не проил­ люстрировать его отдельные этапы;

□традиционно используемые рисунки и схемы подвергнуты переработке с целью отделения главного материала от второсте­ пенного, что способствует концентрации внимания на основном;

□существенное внимание в учебнике уделено прогрессивным технологическим процессам с тем, чтобы ориентировать внима­ ние студентов на передовые технологии;

□текст не перегружен справочным и цифровым материалом, при необходимости студентам предлагается использовать мате­ риал справочников и лабораторных практикумов.

Раздел

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

1.Основные сведения о свойствах и методах испытания металлов и сплавов

2.Общее представление о строении металлов

3.Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

4.Термическая обработка

5.Химико-термическая обработка

6.Углеродистые и легированные стали

7.Цветные металлы и сплавы

8.Композиционные материалы

9.Порошковая металлургия

10.Неметаллические материалы

SJS ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВОЙСТВАХ

ИМЕТОДАХ ИСПЫТАНИЯ МЕТАЛЛОВ

ИСПЛАВОВ

»........ ......... .......................... ....................

Классификация металлических 1.1. материалов

Существует несколько типов классификаций металлов. Наи­ более четкой является классификация металлов в соответствии с их положением в периодической системе химических элемен­ тов — химическая. Однако в технике используют и другие класси­ фикации, в основе которых лежит какой-либо признак металла, важный при его практическом применении. В дальнейшем будем опираться на классификацию, предложенную А.П. Гуляевым, согласно которой все металлы делятся на черные, имеющие тем­ но-серый цвет, и цветные, окраска которых может быть красной, желтой и белой.

В группе черных металлов выделяют:

□железные — железо, кобальт, никель и марганец. Три по­ следних могут быть использованы самостоятельно, но чаще их добавляют к железу для изменения его свойств в желаемом на­ правлении;

□тугоплавкие, температура плавления которых выше, чем

ужелеза (1539 °С), — титан, ванадий, хром, цирконий, молибден, вольфрам и др. Эти металлы используют как добавки к железу или в качестве основы для получения сплавов специального на­ значения;

□урановые — актиноиды (уран, плутоний и др.), применяе­ мые в атомной энергетике;

□редкоземельные — лантаноиды (лантан, церий, неодим и др.). Их используют в качестве присадок для улучшения свойств дру­ гих металлов;

□щелочноземельные — натрий, калий, цезий и др. Данные металлы в свободном металлическом состоянии в технике при­ меняются крайне редко в связи с их химической активностью

инизкими механическими свойствами.

Цветные металлы подразделяются:

□на легкие — бериллий, магний, алюминий. Их сплавы на­ шли широкое применение в авиации, космической и автомобиль­ ной технике;

□благородные — серебро, золото, платина и др. Они обладают высокой устойчивостью против коррозии. К этой группе может быть отнесена и медь;

□легкоплавкие — цинк, ртуть, олово, свинец и др. Они отли­ чаются низкой температурой плавления и в основном использу­ ются для получения сплавов на основе других металлов.

В первом приближении металлические материалы, применяе­ мые в технике, можно разделить на две группы: чистые металлы, используемые преимущественно в электротехнике, и сплавы нескольких металлов, которые применяются в различных облас­ тях машиностроения.

Физические и химические свойства металлов

К физическим свойствам металлов относится обширный пе­ речень характеристик, совокупность которых позволяет отличать их друг от друга по цвету, плотности, теплофизическим и элек­ трическим величинам, твердости. Основные физические свойства наиболее распространенных металлов, а также углерода, крем­ ния и бора приведены в табл. 1.1.

В зависимости от плотности металлы можно разделить на легкие (Al, Mg, Be) и тяжелые (Mo, Bi, Си и др). Отличаются они и по температуре плавления: Mg, Al, Zn, Pb, Sn, Bi относятся к легкоплавким, а у Be, Mn, Fe, Со, Ni, Си и, особенно, Мо темпе­ ратура плавления превышает 1ООО °С. Почти все металлы, кроме Mg и Zn, имеют высокую температуру кипения.

Несмотря на то что металлы вследствие специфики своего строения характеризуются высокой тепло- и электропроводно­ стью, абсолютное значение этих показателей для различных ме­ таллов может различаться в несколько раз. Высокой теплопро­ водностью обладают Al, Be, Mg, Си, Мо и Zn. У Ni, Со, Fe, Sn и, особенно, Bi этот показатель ниже.

В качестве характеристики электропроводности в табл. 1.1 приведено удельное сопротивление. Чем выше его значение, тем ниже способность металла проводить электрический ток. Be, Mg, Al, Fe, Co, Ni, Zn, Mo, Sn и, особенно, Си обладают высокой, электропроводностью, а у Bi, Мп и В, который в большей степени обладает амфотерными, а не металлическими свойствами, она низкая.

Магнитные свойства веществ можно оценивать различными показателями, но наиболее часто используется безразмерная фи­ зическая величина, называемая магнитной восприимчивостью. По магнитным свойствам вещества делятся на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. У диамагнетиков магнитная восприимчивость отрицательна, т.е. поле молекулярных токов

уних противоположно внешнему, а у пара- и ферромагнетиков она положительна, причем у ферромагнетиков — Fe, Ni и Со — магнитная восприимчивость на несколько порядков выше, чем

удругих металлов. Высокая магнитная восприимчивость у них сохраняется при нагревании до определенной температуры, на­ зываемой точкой Кюри (для каждого металла своя).

Втабл. 1.1 приведены значения удельной магнитной воспри­ имчивости, полученные делением безразмерной величины маг­ нитной восприимчивости на плотность. У Be, В, Си, Zn, Pb, Sn и Bi эта величина отрицательна, а у Мо, Мп и ферромагнетиков — положительна, т.е. они намагничиваются в магнитном поле.

Весьма важной характеристикой размерной стабильности, металлов при нагревании является линейный коэффициент те­ плового расширения (коэффициент линейного расширения), ха­ рактеризующий выраженное в процентах изменение линейного размера (длины) при изменении температуры на один градус. Эта величина имеет различные значения при различных темпе­ ратурах. В табл. 1.1 приведены значения данного коэффициента при нормальных температурах. Абсолютные значения коэффи­ циента линейного расширения для различных металлов близки по величине, однако у Bi, Pb, Zn и Mg они несколько выше.

Твердость металлов определяет их износостойкость и способ­ ность подвергаться обработке инструментом. В табл. 1.1 приве­ дены значения микротвердости различных металлов. Высокой твердостью характеризуются В, Мп, Со, Ni и Мо, в то время как Al, Mg, Fe, Си, Zn и, особенно, Pb, Sn и Bi могут быть отнесены к мягким металлам.