Технология конструкционных материалов

УДК 621.7/9(075.8) ББК 34.43я73

Т38

Серия основана в 2004 году

А в т о р ы :

О.С. Комаров (разд. II—III); В.Н. Ковалевский (гл. 7—9); Л.Ф. Керженцева, А.С. Чаус (разд. I, кроме гл. 7—9); О.В. Хренов (разд. IV); Б.М. Данилко (разд. V);

В.Е. Чигринов (разд. VI)

Р е ц е н з е н т ы :

кафедра «Технология металлов» Белорусско-российского университета (зав. кафедрой — кандидат технических наук, доцент Г.Ф. Ловшенко);

зав. кафедрой «Материаловедение, обработка и упрочнение материалов» Белорусского государственного университета транспорта,

доктор технических наук, профессор П.Н. Богданович

Технология конструкционных материалов: учебник / О.С. Ко- Т38 маров, В.Н. Ковалевский, Л.Ф. Керженцева и др. ; под общ. ред.

О.С. Комарова. — 2-е изд., испр. — Минск: Новое знание, 2007. — 567 с .: ил. — (Техническое образование).

ISBN 978-985-475-237-2.

Даны основные сведения о материаловедении черных и цветных ме­ таллов. Описаны традиционные способы обработки металлов (термиче­ ская, литьем, давлением, сваркой, резанием, электрохимическая, электро­ физическая). Подробно рассмотрены новые технологические методы получения и обработки металлов, их технико-экономические характерис­ тики и области применения.

Качественные иллюстрации значительно облегчают усвоение материала. Для студентов технических высших учебных заведений. Может быть

полезен для учащихся средних специальных учебных заведений.

УДК 621.7/9(075.8) ББК 34.43*73

ПРЕДИСЛОВИЕ

Технология конструкционных материалов является комплексной дисци­ плиной, в которой рассматриваются основные сведения о способах про­ изводствамашиностроительныхматериалов и методах ихобработкис це­ лью получения деталей с заданными свойствами и конфигурацией.

Предлагаемый учебникосновывается на вновь созданной программе, общая концепция которой базируется на трех основных принципах:

□непрерывности образования, предполагающем органическую связь междупрофессиональным, средними высшимтехническимобразованием;

□универсальности учебника, рассчитанного на использование при подготовке специалистовразличныхпрофилей. Исходя из этого принципа

вкаждомразделедается максимум информационногоматериала, частько­ торого может быть опущена при использовании конкретными специаль­ ностями;

□органической связи между отдельными разделами. Исходя из это­ го принципа 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 механиче­ ской и термической обрабртки.

Традиционно вучебник включены разделы: материаловедение (авто­ ры Л.Ф. Керженцева, А.С. Чаус и В.Н. Ковалевский), металлургия и ли­ тейное производство (автор О.С. Комаров), обработка металлов давле­ нием (автор О.В. Хренов), сварка (автор Б.М. Данилко) и обработка резанием (автор В.Е. Чигринов).

Впервом разделе рассматриваются кристаллизация и строение метал­ лов и сплавов, способы их термической обработки. Детально описаны превращения, протекающие в сплавах при их нагреве и охлаждении. Приведены классификация и свойства сталей, а также методы их улуч­ шения. Большое внимание уделено сплавам на основе цветныхметаллов,

атакже таким дерспективным материалам, как неметаллические, по­ рошковые и композиционные.

Во втором разделе описаны способы получения чугуна, стали и цвет­ ных металлов. Особое внимание уделенофизико-химическим процессам восстановления металлов из руд.

Втретьем разделе рассмотрены основы современной технологии ли­ тейного производства, специальные способы литья, а также приведены характеристики основныхлитейныхсплавов и описаны печи, применяе­ мые для их выплавки.

Четвертыйраздел посвящен обработке металловдавлением. Здесьданы представления о горячей и холодной деформации металлов, методах про­ изводства заготовок и применяемом с этой целью оборудовании.

В пятом разделе рассмотрены физические основы сварки, дана клас­ сификация процессов и способов ее различных видов.

Шестой раздел посвящен обработке материалов резанием. Внем опи­ саны основные процессы, протекающие при резании, приведены крат­ кие сведения о конструкциях станков и режущих инструментов. Здесьже рассмотрены электрофизические и электрохимические способы обра­ ботки.

При разработке данного учебника использован новый подход к изло­ жению материала по технологиям производства металлов и способам их обработки. Он базируется на следующих отличительных признаках:

□отход от традиционной описательной формы изложения и стрем­ ление разобраться в механизме и взаимосвязях отдельных этапов произ­ водства, чтобыучащиеся составили представление о физико-химической сущности технологических процессов;

□при проработке иллюстрационного материала ставилась цель ото­ бразить на одной схеме всю совокупность этапов технологического про­ цесса производства или обработки металлов с тем, чтобы создать целост­ ное представление о процессе, а не проиллюстрировать его отдельные этапы;

□традиционно используемые в учебнике рисунки и схемы подверг­ нуты переработке с целью отделения основного материала от второсте­

пенного, что способствует концентрации внимания на основном;

□существенное внимание в учебнике уделено прогрессивным тех­ нологическим процессам с тем, чтобы ориентировать внимание студен­ тов на передовые технологии;

□текст не перегружен справочным и цифровым материалом, при необходимости студентам предлагается использовать материал справоч­ ников и лабораторных практикумов.

Воснову учебника положен материал, ранее изложенный в учебном пособии для средних специальныхзаведений «Технология конструкцион­ ных материалов» (Минск: Дизайн ПРО, 2001). По сравнению с этим посо­ бием вданный учебникдобавлен материал потеоретическим основам тех­ нологических процессов обработки материалов и предоставлены сведения

оновейших разработках в области композиционных материалов.

Раздел

I Материаловедение

Глава 1

ОБЩЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О СТРОЕНИИ МЕТАЛЛОВ

1.1. Кристаллические структуры металлови сплавов

Металлы и их сплавы в твердом состоянии представляют собой кри­ сталлические тела, в которых атомы располагаются относительно друг друга в определенном, геометрически правильном порядке, об­ разуя кристаллическую структуру. Такое закономерное, упорядочен­ ное пространственное размещение атомов называется кристалличе­ скойрешеткой.

В кристаллической решетке можно выделить элемент объема, об­ разованный минимальным количеством атомов, многократное по­ вторение которого в пространстве по трем непараллельным направ­ лениям позволяет воспроизвести весь кристалл. Такой элементарный объем, характеризующий особенности строения данного типа кри­ сталла, называется элементарной ячейкой. Для ее описания использу­ ют шесть величин: три ребра ячейки а, Ь, с и три угла между ними а, Р, у (рис. 1.1, а). Эти величины называются параметрами элементар­ нойячейки.

Поскольку атомы стремятся занять наименьший объем, существу­ ет всего 14типов кристаллических решеток, свойственных элементам периодической системы. Наиболее распространенными среди метал-

лов являются следующие типырешеток (рис. 1.1, б—г: линии на схемах условные; в действительности никаких линий не существует, а атомы колеблются с большой частотой возле точек равновесия, т. е. узлов ре­ шетки):

□объемно-центрированная кубическая (ОЦК) — атомы распо­ ложены в вершинах и в центре куба; такую решетку имеют Na, V, Nb, Fea, К, Cr, W и другие металлы;

□гранецентрированная кубическая (ГЦК) — атомы расположе­ ны в вершинах куба и в центре каждой грани; решетку такого типа имеют Pb, Al, Ni, Ag, Au, Си, Со, Fey и другие металлы;

□гексоганальная плотноупакованная (ГПУ) — четырнадцать ато­ мов расположены в вершинах и центре шестиугольных оснований призмы, а три — в средней плоскости призмы; такую решетку имеют Mg, И, Re, Zn, Hf, Be, Ca и другие металлы.

Рис. 1.1. Кристаллическое строение металлов:

а — схема кристаллической решетки; б — объемно-центрированная кубиче­ ская ; в — гранецентрированная кубическая; г — гексагональная плотноупа­

кованная

Кристаллическую решетку характеризуют следующие основные параметры: период, координационное число, базис и коэффициент компактности.

Периодом решетки называется расстояние междудвумя соседними параллельными кристаллографическими плоскостями в элементар­ ной ячейке решетки. Он измеряется в нанометрах (1 нм = 10~9 см) и для большинства металлов лежит в пределах 0,1...0,7 нм.

щихся на наиболее близком и равном расстоянии от любого выбран­ ного атома в решетке. Для ГЦК решетки координационное число рав­ но 12, ОЦК — 8, ГПУ — 12.

Базисом решетки называется количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. Так, на одну элементарную ячейку ОЦК решетки приходятся два атома: один, находящийся в центре куба и принадлежащий только данной ячейке, и второй — как сумма долей, которую вносят атомы, расположенные в вершинах куба и принадле­ жащие одновременно восьми сопряженным элементарным ячейкам

^1 -8 = lj. Базисное число ГЦК и ГПУ решеток равно 4.

Коэффициент компактности (плотность упаковки) решетки ri оп­ ределяется отношением объема, занимаемого атомами, Va, ко всему объему элементарной ячейки решетки Кр:

y\ = K / v p.

Плотность упаковки г|оцк= 0,68, т]гцк= 0,74, т]ГПу= 0,74. Рассматривая модель кристаллической решетки (см. рис. 1.1), мож­

но заметить, что плотность атомов вразличных плоскостях неодинако­ ва. По этой причине свойства отдельно взятого кристалла, в том числе химические, физические и механические, в разных направлениях бу­ дут отличаться. Такое различие свойств называется анизотропией. Все кристаллы анизотропны. Помимо кристаллических тел существуют аморфные, в которых атомы совершают малые колебания вокруг хао­ тически расположенных равновесных положений, т. е. не образуют кристаллическую решетку. В таких телах свойства не зависят от на­ правления, т. е. они изотропны.

Степень анизотропности может быть значительной. Исследования монокристалла меди в различных направлениях показали, что времен­ ное сопротивление ов изменяется в нем в диапазоне 120...360 МПа, а относительное удлинение 8 —10...55 %.

Технические металлы являются поликристаллическими вещества­ ми, состоящими из множества мелких (10“1... 10-5см) различно ориен­ тированных относительно друг друга кристаллов, и их свойства во всех направлениях усредняются. Это означает, что металлы и сплавы изотропны.

1.2. Дефекты строения реальныхкристаллов

Существующие в природе кристаллы, которые получили названиере­ альных, не обладают совершенной атомно-кристаллической структу­ рой. Их решетки имеют различного рода дефекты, т. е. отклонения от правильного периодического расположения атомов.

Дефекты кристаллического строения с учетом их пространственно­ го измерения подразделяют на точечные (нульмерные), линейные (од­ номерные), поверхностные (двухмерные) и объемные (трехмерные).

Точечными дефектами называются такие нарушения периодично­ сти кристаллической решетки, размеры которых по всем трем про­ странственным координатам соизмеримы с размером атома. К точеч­ ным дефектам относятся (рис. 1.2, а):

□междоузельные или дислоцированные атомы, вышедшие из положения равновесия и перемещенные в позицию между узлами решетки;

□вакансии или пустые узлы кристаллической решетки;

□примесные атомы.

Рис. 1.2. Дефекты кристаллического строения:

а — точечные (1 — дислоцированный атом; 2 — вакансия; 3 — примесный атом внедрения); б — линейные (т — вектор сдвига); в — поверхностные (а —угол разориентировки субзерен)

Линейные дефекты, или дислокации, — это линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение атом­ ных плоскостей кристалла. Так называемые краевые {линейные) дисло­ кации возникают вследствие появления в кристалле неполной атомной плоскости, которая называется экстраплоскостью (плоскость ABED на рис. 1.2, б). Линия AD, т. е. край экстраплоскости, и будет краевой

дислокацией. Длина дислокаций может достигать размера всего кри­ сталла, в поперечном же сечении размеры дефекта невелики и не пре­ вышают нескольких межатомных расстояний.

Образование дислокаций происходит обычно в процессе первич­ ной кристаллизации. Однако при пластической деформации, терми­ ческой обработке и других процессах плотность дислокаций может существенно изменяться, оказывая очень сильное влияние на меха­ нические свойства металлов и сплавов. Наиболее простой и нагляд­ ный способ образования дислокаций в кристалле — сдвиг (рис. 1.2,6). Если верхнюю часть кристалла сдвинуть относительно нижней на одно межатомное расстояние и зафиксировать положение, когда сдвиг охватил не всю плоскость скольжения, а только ее часть ADCF, то границаЛ/) междуучастком, где скольжение уже произошло, и уча­ стком в плоскости скольжения, в котором скольжение еще не про­ изошло, и будет линейной дислокацией.

Поверхностные дефекты (рис. 1.2, в) представляют собой поверх­ ности раздела (границы) между отдельными зернами и субзернами в поликристаллическом металле. Зерна разориентированы, поверну­ ты относительно другдруга на несколько градусов. По границам зерен скапливаются дислокации и вакансии, что еще больше нарушает пра­ вильный порядок расположения атомов. К поверхностным дефектам относятся двойники (симметрично переориентированные области кри­ сталлической решетки) и дефекты упаковки (локальные изменения расположения плотно упакованных плоскостей в кристалле).

Объемные дефекты представляют собой поры, макротрещины и другие подобные несплошности металла.

1.3. Кристаллизация металлов

Кристаллизация обусловлена стремлением системы при определен­ ных условиях перейти к энергетически более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией F. На рис. 1.3 показана зависимость изменения свободной'энергии для жидкой и твердой фаз от измене­ ния температуры системы. Меньшей свободной энергией вещество в жидком состоянии обладает при температуре выше, а в твердом — ниже теоретической температуры плавления (точка Ts). В реальных условиях процесс кристаллизации не может начаться при температу­ ре Г„ так как при данной температуре система находится в состоянии