Материаловедение и технология металлических, неметаллических и композиционных материалов
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Материаловедение
Издательство:
Издательство ФОРУМ
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 400
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-00091-431-1
ISBN-онлайн: 978-5-16-104328-8
Артикул: 342000.07.01
К покупке доступен более свежий выпуск
Перейти
В учебнике описано строение металлических, неметаллических и композиционных материалов и технологии их получения. Рассмотрены методы изучения свойств материалов. Рассмотрены технологии упрочнения металлических материалов термической, химико-термической обработкой, пластической деформацией. Приведены особенности органических и неорганических неметаллических материалов, а также возможность изменения их свойств. Широко освещены композиционные материалы, показаны области их рационального применения.
Представлены технологии изготовления заготовок и деталей из металлических материалов — литье, сварка, обработка давлением и резанием. Даны основы технологии нанесения гальванических покрытий. Рассмотрены технологии изготовления деталей из неметаллических материалов — пластических масс, резины, стекла, а также композиционных материалов. Показаны технологии, совмещающие изготовление композиционных материалов и деталей из них.
Соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.
Учебник предназначен для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки 15.00.00 «Машиностроение» и 22.00.00 «Технологии материалов», также может быть использован при обучении аспирантов машиностроительных специальностей и для повышения квалификации инженерно-технических работников машиностроительных предприятий.
Тематика:
ББК:
УДК:
- 620: Испытания материалов. Товароведение. Силовые станции. Общая энергетика
- 621: Общее машиностроение. Ядерная техника. Электротехника. Технология машиностроения в целом
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 22.03.01: Материаловедение и технологии материалов
- ВО - Магистратура
- 22.04.01: Материаловедение и технологии материалов
- 22.04.02: Металлургия
ГРНТИ:
Скопировать запись
Материаловедение и технология металлических, неметаллических и композиционных материалов, 2023, 342000.09.01
Материаловедение и технология металлических, неметаллических и композиционных материалов, 2021, 342000.08.01
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Москва 2020 ИНФРА-М МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ, НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ A.M. Адаскин, А.Н. Красновский Рекомендовано Учебно-методическим Советом ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН» в качестве учебника для бакалавров и магистров, обучающихся по направлениям подготовки 15.00.00 «Машиностроение» и 22.00.00 «Технологии материалов» УЧЕБНИК
УДК 621(075.8) ББК 30.3я73 А28 Адаскин А.М. А28 Материаловедение и технология металлических, неметаллических и композиционных материалов : учебник / A.M. Адаскин, А.Н. Красновский. — Москва. : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2020. — 400 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). ISBN 978-5-00091-431-1 (ФОРУМ) ISBN 978-5-16-012555-8 (ИНФРА-М, print) ISBN 978-5-16-104328-8 (ИНФРА-М, online) В учебнике описано строение металлических, неметаллических и композиционных материалов и технологии их получения. Рассмотрены методы изучения свойств материалов. Рассмотрены технологии упрочнения металлических материалов термической, химико-термической обработкой, пластической деформацией. Приведены особенности органических и неорганических неметаллических материалов, а также возможность изменения их свойств. Широко освещены композиционные материалы, показаны области их рационального применения. Представлены технологии изготовления заготовок и деталей из металлических материалов — литье, сварка, обработка давлением и резанием. Даны основы технологии нанесения гальванических покрытий. Рассмотрены технологии изготовления деталей из неметаллических материалов — пластических масс, резины, стекла, а также композиционных материалов. Показаны технологии, совмещающие изготовление композиционных материалов и деталей из них. Соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения. Учебник предназначен для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки 15.00.00 «Машиностроение» и 22.00.00 «Технологии материалов», также может быть использован при обучении аспирантов машиностроительных специальностей и для повышения квалификации инженерно-технических работников машиностроительных предприятий. УДК 621(075.8) ББК 30.3я73 Р е ц е н з е н т ы: Ю.Ф. Набатников — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой горного оборудования, транспорта и машиностроения Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»; Л.Г. Алехин — кандидат технических наук, доцент кафедры технической механики Московского технологического университета «МИРЭА» ISBN 978-5-00091-431-1 (ФОРУМ) ISBN 978-5-16-012555-8 (ИНФРА-М, print) ISBN 978-5-16-104328-8 (ИНФРА-М, online) © Адаскин A.M., Красновский А.Н., 2016 © ФОРУМ, 2016
содержание Введение.............................................................................................................................9 Часть I СтроеНие МАтериАлоВ и техНология их произВоДСтВА ...........................13 Глава 1. типы межатомных связей и их влияние на свойства материалов. Строение материалов .....................................................................................................13 1.1. Типы межатомных связей. Кристаллическое и аморфное строение...................... 13 1.1.1. Типы межатомных связей .................................................................................... 13 1.1.2. Кристаллическое и аморфное строение.............................................................. 15 1.2. Металлы. Кристаллическое строение........................................................................ 16 1.2.1. Кристаллические решетки.................................................................................... 16 1.2.2. Полиморфные превращения................................................................................ 19 1.2.3. Анизотропия и изотропия кристаллических тел................................................ 19 1.2.4. Идеальное и реальное строение кристаллических тел ...................................... 20 1.3. Строение полимеров и пластических масс ............................................................... 22 1.3.1. Молекулярное строение полимеров.................................................................... 22 1.3.2. Классификация полимеров.................................................................................. 25 1.3.3. Пластические массы (пластмассы)...................................................................... 26 1.4. Неорганическое стекло ............................................................................................... 26 1.5. Слоистые и плотные (кубические) структуры углерода и нитрида бора ............... 28 1.5.1. Слоистые структуры углерода и нитрида бора................................................... 28 1.5.2. Плотная (кубическая) модификация углерода – алмаз..................................... 28 1.6. Строение композиционных материалов.................................................................... 29 Глава 2. Металлургические процессы производства металлов и сплавов...........................32 2.1. Основы металлургического производства ................................................................. 32 2.1.1. Материалы металлургического процесса ............................................................ 32 2.1.2. Технологии обогащения руд ................................................................................ 34 2.2. Получение слитков металлов и сплавов. Строение слитка ..................................... 35 2.2.1. Первичная кристаллизация (затвердевание) ...................................................... 35 2.2.2. Строение слитка.................................................................................................... 37 2.3. Обработка металлов давлением в металлургическом производстве ....................... 39 2.3.1. Прокатка ................................................................................................................ 39 2.3.2. Прессование .......................................................................................................... 42 2.3.3. Волочение .............................................................................................................. 43 Глава 3. порошковая металлургия..................................................................................45 3.1. Получение порошков и приготовление смесей........................................................ 45 3.2. Формование заготовок................................................................................................ 46 3.3. Спекание ...................................................................................................................... 48 3.4. Особенности обработки спеченных заготовок ......................................................... 49 Глава 4. производство черных металлов – чугуна и стали...............................................50 4.1. Производство чугуна................................................................................................... 50 4.1.1. Подготовка шихты ................................................................................................ 50 4.1.2. Выплавка чугуна.................................................................................................... 50 4.1.3. Продукция доменного производства................................................................... 54 4.2. Производство стали..................................................................................................... 54 4.3. Разливка стали............................................................................................................. 60 4.4. Технология производства сталей и сплавов особо высокого качества................... 62
Содержание Глава 5. производство цветных металлов .......................................................................66 5.1. Производство меди...................................................................................................... 66 5.2. Производство алюминия ............................................................................................ 69 5.3. Производство титана................................................................................................... 71 Глава 6. производство неметаллических материалов.......................................................73 6.1. Технология производства полимеров ........................................................................ 73 6.1.1. Полимеризация полимеров.................................................................................. 73 6.1.2. Поликонденсация полимеров .............................................................................. 75 6.1.3. Технология синтеза полимеров............................................................................ 76 6.2. Технология производства пластических масс........................................................... 77 6.2.1. Технология периодического смешения............................................................... 78 6.2.2. Вальцевание и каландрование ............................................................................. 80 6.2.3. Непрерывное смешение высоковязких полимеров с наполнителями. Экструзия......................................................................................................................... 83 6.2.4. Гранулирование и измельчение........................................................................... 87 6.3. Производство стекла ................................................................................................... 88 6.4. Технология получения графита и плотных модификаций углерода и нитрида бора.................................................................................................................... 90 6.4.1. Получение графита ............................................................................................... 90 6.4.2. Синтез алмаза и кубического нитрида бора....................................................... 91 Глава 7. технология изготовления композиционных материалов ......................................94 7.1. Волокна. Технология производства и свойства........................................................ 94 7.2. Упрочняющие компоненты на основе волокон. ...................................................... 98 7.2.1. Однонаправленные наполнители ........................................................................ 98 7.2.2. Тканые волокнистые элементы ..........................................................................100 7.2.3. Волокнистые элементы объемного плетения....................................................101 7.2.4. Нетканые волокнистые элементы ......................................................................101 7.3. Полуфабрикаты. Препреги (SMC) и премиксы (BMC)..........................................102 7.3.1. Препреги...............................................................................................................103 7.3.2. Премиксы .............................................................................................................104 Часть II МАтериАлоВеДеНие МетАллиЧеСКих, НеМетАллиЧеСКих и КоМпозициоННых МАтериАлоВ ................................................................... 106 Глава 8. Механические свойства материалов и методы их определения ......................... 106 8.1. Определение механических свойств металлов и сплавов .......................................106 8.1.1. Определение предела прочности, предела текучести, относительного удлинения и сужения ....................................................................................................106 8.1.2. Определение твердости........................................................................................107 8.1.3. Испытания на усталость......................................................................................110 8.1.4. Испытания на ползучесть....................................................................................111 8.1.5. Определение ударной вязкости и порога хладноломкости ..............................111 8.1.6. Трещиностойкость ...............................................................................................113 8.1.7. Испытания на износостойкость .........................................................................114 8.2. Определение механических свойств пластических масс и композиционных материалов .......................................................................................115 Глава 9. теория сплавов............................................................................................... 119 9.1. Общие сведения (терминология) ..............................................................................119 9.2. Типы сплавов. Диаграммы состояния......................................................................119 9.2.1. Типы сплавов........................................................................................................119 9.2.2. Диаграммы состояния металлических сплавов .................................................121 9.3. Диаграммы состояния металлических сплавов, упрочняемых термической обработкой...................................................................................................128
Содержание Глава 10. Диаграмма состояния железо – цементит. Сплавы железа и углерода............. 130 10.1. Диаграмма состояния Fe – Fe3С.............................................................................130 10.2. Структура сплавов системы Fe – Fe3С...................................................................133 Глава 11. основы термической обработки..................................................................... 135 11.1. Виды термической обработки .................................................................................135 11.2. Превращения в сталях при нагреве ........................................................................135 11.3. Превращения в сталях при охлаждении. Диаграмма изотермического превращения аустенита.....................................................................................................137 11.4. Технология объемной термической обработки......................................................140 11.4.1. Отжиг и нормализация ......................................................................................141 11.4.2. Закалка ................................................................................................................142 11.4.3. Отпуск и старение..............................................................................................144 11.5. Поверхностное упрочнение .....................................................................................146 11.5.1. Химико-термическая обработка .......................................................................147 11.5.2. Поверхностная закалка......................................................................................151 11.6. Среды для нагрева и охлаждения при термической обработке............................154 11.6.1. Нагревающие среды...........................................................................................154 11.6.2. Охлаждающие среды..........................................................................................155 Глава 12. Стали ........................................................................................................... 157 12.1. Примеси сталей и их влияние на свойства............................................................157 12.2. Классификация сталей по качеству........................................................................158 12.3. Маркировка сталей...................................................................................................158 12.4. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей .......................159 12.5. Стали общетехнического назначения.....................................................................164 Глава 13. Чугуны ......................................................................................................... 168 13.1. Классификация чугунов...........................................................................................168 13.2. Белые и отбеленные чугуны ....................................................................................168 13.3. Чугуны с графитом...................................................................................................169 13.4. Термическая обработка чугуна................................................................................173 Глава 14. Материалы со специальными свойствами....................................................... 175 14.1. Стали, устойчивые против коррозии......................................................................175 14.2. Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы.......................................................177 14.3. Стали и сплавы с особыми магнитными свойствами ...........................................179 14.4. Материалы с особыми электрическими свойствами.............................................180 14.5. Сплавы с заданным коэффициентом линейного расширения и модулем упругости .........................................................................................................181 14.6. Износостойкие стали ...............................................................................................181 14.7. Высокопрочные стали..............................................................................................182 14.8. Сплавы с «памятью».................................................................................................183 Глава 15. цветные металлы и сплавы........................................................................... 184 15.1. Медь и сплавы на ее основе....................................................................................184 15.2. Алюминий и сплавы на его основе.........................................................................186 15.3. Титан и сплавы на его основе.................................................................................188 15.4. Баббиты .....................................................................................................................189 Глава 16. полимеры и пластические массы................................................................... 190 16.1. Температурные зависимости свойств полимеров..................................................190 16.2. Пластические массы.................................................................................................193 16.2.1. Состав и классификация пластических масс...................................................193 16.2.2. Термопластичные пластмассы ..........................................................................194 16.2.3. Термореактивные пластмассы...........................................................................196 16.2.4. Газонаполненные пластмассы...........................................................................197
Содержание 16.3. Эластомеры (каучуки), резины................................................................................198 16.4. Пленкообразующие материалы, клеи, герметики, лаки, краски .........................200 16.5. Область рационального применения пластмасс....................................................202 16.6. Стекла и ситаллы......................................................................................................203 16.6.1. Неорганическое стекло......................................................................................203 16.6.2. Ситаллы...............................................................................................................208 16.7. Графит как конструкционный материал................................................................210 Глава 17. Композиционные материалы.......................................................................... 212 17.1. Структура и принципы упрочнения композиционных материалов ....................212 17.1.1. Структура и механизм упрочнения дисперсно-упрочненных композитов...212 17.1.2. Структура и механизм упрочнения волокнистых композитов.......................213 17.2. Дисперсно-упрочненные композиты......................................................................216 17.3. Волокнистые композиты..........................................................................................218 17.3.1. Требования к эксплуатационным и технологическим свойствам компонентов композитов..............................................................................................218 17.3.2. Материалы матриц.............................................................................................220 17.3.3. Упрочняющие компоненты...............................................................................223 17.4. Свойства волокнистых композитов ........................................................................226 17.4.1. Композиты с полимерной матрицей................................................................226 17.4.2. Стеклопластики..................................................................................................226 17.4.3. Органопластики..................................................................................................226 17.4.4. Углепластики ......................................................................................................226 17.4.5. Боропластики......................................................................................................227 17.4.6. Гибридные пластики..........................................................................................227 17.4.7. Композиты с углеродной матрицей – углерод – углеродные композиционные материалы (УУКМ).........................................................................228 17.4.8. Композиты с металлической матрицей............................................................228 17.4.9. Композиты с керамической матрицей. ............................................................231 Часть III. техНология изготоВлеНия зАготоВоК и ДетАлей ..................................... 235 Глава 18. технологические свойства металлов и сплавов ............................................... 235 18.1. Технологические требования к материалам для литья (литейным сплавам)...........236 18.2. Обрабатываемость материалов давлением. Холодная и горячая обработка давлением.........................................................................................................237 18.3. Свариваемость металлов ..........................................................................................242 18.4. Обрабатываемость резанием....................................................................................244 Глава 19. литейное производство.................................................................................. 246 19.1. Основы литья............................................................................................................246 19.2. Литье в одноразовые формы ...................................................................................246 19.2.1. Литье в песчаные формы...................................................................................246 19.2.2. Литье по выплавляемым моделям ....................................................................252 19.2.3. Литье в оболочковые формы.............................................................................254 19.3. Литье в многоразовые формы .................................................................................256 19.3.1. Литье в кокиль ...................................................................................................257 19.3.2. Литье под давлением..........................................................................................258 19.3.3. Центробежное литье ..........................................................................................259 19.4. Электрошлаковое литье ...........................................................................................260 19.5. Оборудование литейных производств.....................................................................261 Глава 20. обработка давлением.................................................................................... 263 20.1. Основы обработки давлением .................................................................................263 20.2. Горячая обработка давлением .................................................................................264
Содержание 20.2.1. Нагрев заготовок ................................................................................................264 20.2.2. Ковка...................................................................................................................265 20.2.3. Штамповка..........................................................................................................267 20.3. Холодная обработка давлением...............................................................................272 20.3.1. Листовая штамповка ..........................................................................................272 20.3.2. Объемная штамповка.........................................................................................275 20.4. Материалы для штампового инструмента..............................................................276 20.5. Оборудование для обработки давлением................................................................279 Глава 21. Сварка.......................................................................................................... 281 21.1. Классификация видов сварки .................................................................................281 21.2. Сварка плавлением...................................................................................................281 21.2.1. Структура сварного соединения при сварке плавлением. Термическая обработка сварных заготовок.................................................................282 21.2.2. Электродуговая сварка.......................................................................................283 21.2.3. Электрошлаковая сварка ...................................................................................285 21.2.4. Газовая сварка ....................................................................................................286 21.2.5. Сведения об электронно-лучевом, ионно-лучевом и лазерном нагреве для сварки.........................................................................................................287 21.3. Термомеханические и механические методы сварки ............................................288 21.4. Резка металлов ..........................................................................................................291 Глава 22. пайка и склеивание материалов .................................................................... 294 22.1. Пайка металлов.........................................................................................................294 22.1.1. Технология пайки ..............................................................................................294 22.1.2. Обработка деталей после пайки........................................................................297 22.2. Склеивание материалов ...........................................................................................298 Глава 23. обработка резанием...................................................................................... 301 23.1. Особенности обработки резанием ..........................................................................301 23.2. Основы обработки резанием ...................................................................................301 23.2.1. Геометрические параметры режущего инструмента .......................................301 23.2.2. Режимы резания.................................................................................................304 23.2.3. Процесс резания.................................................................................................306 23.3. Оценка точности обработки и качества поверхности ...........................................310 23.3.1. Точность размеров и формы .............................................................................310 23.3.2. Оценка качества поверхности...........................................................................317 23.4. Инструментальные материалы ................................................................................319 23.4.1. Материалы для лезвийного инструмента.........................................................319 23.4.2. Материалы абразивных инструментов .............................................................326 23.5. Технология обработки на металлорежущих станках .............................................328 23.5.1. Технология лезвийной обработки.....................................................................328 23.5.2. Абразивная обработка........................................................................................336 23.6. Металлорежущие станки..........................................................................................340 Глава 24. основы электрофизических и электрохимических методов обработки ............. 343 24.1. Электроэрозионная обработка ................................................................................343 24.2. Электрохимическая обработка ................................................................................344 24.3. Анодно-механическая обработка ............................................................................346 24.4. Ультразвуковая обработка........................................................................................346 24.5. Лучевая обработка ....................................................................................................347 24.6. Плазменная обработка .............................................................................................348 Глава 25. технология нанесения гальванических покрытий............................................ 349 25.1. Физико-химические основы нанесения гальванических покрытий....................349 25.2. Подготовка поверхностей под покрытие................................................................349
Содержание 25.2.1. Требования к поверхностям..............................................................................349 25.2.2. Технология подготовки поверхности ...............................................................350 25.3. Технология нанесения покрытий............................................................................351 25.3.1. Влияние технологии нанесения покрытий на качество поверхности...........351 25.3.2. Гальванические покрытия. Свойства. Область применения..........................352 Глава 26. изготовление деталей из неметаллических материалов................................... 357 26.1. Изготовление деталей из пластических масс и резины. .......................................357 26.1.1. Особенности изготовления деталей из пластических масс и резины. ..........357 26.1.2. Технология изготовления объемных (трехмерных) деталей...........................358 26.1.3. Технология изготовления деталей из листового материала ...........................361 26.1.4. Оборудование для переработки пластмасс ......................................................363 26.1.5. Штамповка и обработка резанием пластмасс и резины.................................364 26.2. Изготовление деталей из стекла..............................................................................364 Глава 27. технология изготовления деталей (заготовок) из композиционных материалов .................................................................................................................. 367 27.1. Технология изготовления композитов с полимерной матрицей..........................367 27.1.1. Формообразование прессованием в формах....................................................368 27.1.2. Контактное формование....................................................................................371 27.1.3. Формообразование давлением. Технологии RTM (Resin Transfer Moulding) и Light RTM ...................................................................................................................374 27.1.4. Вакуумное формование .....................................................................................375 27.1.5. Намотка...............................................................................................................378 27.1.6. Пултрузия............................................................................................................385 27.1.7. Технология изготовления деталей и заготовок из препрегов и премиксов....................................................................................................................386 27.1.8. Технология изготовления сборных конструкций из композитов с полимерной матрицей ................................................................................................387 27.2. Технология изготовления деталей из углерод-углеродных композитов ..............391 27.3. Изготовление деталей из композитов с металлической матрицей ......................392 27.3.1. Технология изготовления деталей и заготовок из дисперсно-упрочненных композитов......................................................................392 27.3.2. Технология изготовления деталей и заготовок из волокнистых композитов .....................................................................................................................393 27.3.3. Метод пропитки .................................................................................................395 27.3.4. Метод направленной кристаллизации. ............................................................396 27.3.5. Получение деталей из псевдосплавов...............................................................397 литература...................................................................................................................... 399
введение Материаловедение и технология материалов – науки, определяющие уровень развития цивилизации. Вся история развития человечества связана с освоением и использованием материалов, технологий их производства и изготовления из них изделий, при этом развитие материалов и технологий их обработки взаимосвязано. Часто научные достижения в одной из этих областей приводят к открытию новых возможностей в другой. Отметим важные этапы развития материаловедения и технологии материа лов. Материалы дали названия целым историческим эпохам – каменный век, бронзовый век, железный век. На ранней стадии развития человечества использовались природные мате риалы – дерево, кость, камень. Особое место занял камень, из которого изготавливались орудия труда – каменные топоры, каменные ножи. Следует отметить, что именно с помощью камня около 500 тыс. лет назад люди научились добывать огонь. Использование огня для обжига глины при изготовлении предметов домашней утвари положило начало керамической технологии. На следующем этапе развития цивилизации стали использоваться металлы, естественно, что в первую очередь металлы, встречающиеся в природе в чистом, самородном виде. Прежде всего это медь, начало ее применения относят к VII тысячелетию до н. э. В IV тысячелетии до н. э. начали применять сплавы. Используются изделия из бронзы – сплава меди с другими металлами, в первую очередь с оловом, имеющие лучшие свойства, чем чистая медь. Это означает, что в историю техники вступила технология металлургии. С самых ранних времен использовались прообразы композиционных ма териалов. О том, что малые добавки волокна значительно увеличивают прочность и вязкость хрупких материалов, было известно с древнейших времен. В Древнем Египте рабы добавляли солому в кирпичи, чтобы они были прочнее и не растрескивались при сушке на жарком солнце. Еще один композит Древнего Египта использовался в облачениях египетских мумий, которые делали из полос папируса (наполнитель), пропитанного смолой (матрица). Важнейшим, взрывным этапом технологического развития стало использо вание железа и его сплавов. XIX в. знаменуется появлением и развитием промышленных методов производства стали – конвертерный метод к середине века, к концу века – мартеновский. Сплавы на основе железа и в настоящее время являются основным конструкционным материалом. Промышленная революция середины XIX в. стала мощным побудительным мотивом развития и материаловедения, и технологии металлов. Остановимся на важнейших этапах развития этих наук. Основоположником металловедения является выдающийся русский ученый Д.К. Чернов (1839–1921). Работая на Обуховском заводе, он провел исследова
Введение ния превращений, происходящих при нагреве стали. В результате этих работ, опубликованных в 1868 г., было показано, что существуют температуры, при которых происходят превращения в сталях. Эти температуры позднее были названы критическими точками (точки Чернова). Именно Д.К. Чернов впервые изобразил очертания важнейших линий диаграммы состояния «железо – углерод». Французский исследователь Ф. Осмонд (1849–1912) определил с помощью пирометра температуры критических точек, описал характер превращений при этих температурах и дал названия основным структурам. Спустя 10 лет Д.К. Чернов изложил основы теории кристаллизации сплавов, развитые затем Г. Тамманом (1861–1938). Важный вклад в теорию науки внес американец Д. Гибсс (1839–1903), кото рый, используя принципы термодинамики, разработал теорию равновесия фаз. На основании этой теории, а также с помощью металлографического анализа рядом ученых – русские исследователи Н.Т. Гудцов (1885–1957), А.А. Байков (1870–1946) и англичанин Р. Аустен (1843–1902), было доказано наличие твердых растворов в металлических сплавах. Большой вклад в разработку научных основ металловедения внес Н.С. Кур наков (1860–1941), применивший методы физико-химического анализа для исследования сплавов. Он, в частности, установил закономерности изменения свойств сплавов в зависимости от их типа и химического состава. В.Д. Садовский установил факты измельчения зерна в результате поли морфных превращений, И.Н. Фридляндер разработал сплавы цветных металлов, упрочняемые дисперсионным твердением. В ХХ в. бурно развивалось и материаловедение, и технологии производства материалов, появились новые материалы. В 1960-х гг. был осуществлен промышленный синтез алмаза, а также созданы синтетические вещества, не встречающиеся в природе, в частности, кубический нитрид бора, свойства которого близки к алмазу. В первой половине XX в. появились полимеры – новые материалы, свойства которых резко отличаются от свойств металлов. Полимеры широко применяют в различных областях техники: машиностроении, химической и пищевой промышленности и др. Полиэтилен называют материалом, который позволил выиграть войну, так как его высокие диэлектрические свойства во многом определили эффективность радара. ХХ в. характеризуется разработкой и промышленным использованием боль шого количества типов и составов композитов – материалов, обладающих комплексом свойств, принципиально отличающих их от традиционных конструкционных материалов – металлических и неметаллических. Более того, композиты – это материалы, свойства которых можно задавать, т.е. «конструировать» материалы. Применение композитов открывает широкие возможности для совершен ствования конструкций самого разнообразного назначения – от медицины до космоса. Для развития техники требуются материалы с новыми уникальными свой ствами. Для атомной энергетики и космической техники необходимы материалы, которые могут работать как при весьма высоких температурах, так и при температурах, близких к абсолютному нулю. Компьютерные технологии стали возможными только при использовании материалов с особыми электрическими
Введение свойствами. Таким образом, материаловедение – одна из важнейших, приоритетных наук, определяющих технический прогресс. Технология материалов. На ранних этапах развития технологий изделия про изводились индивидуально, в натуральных хозяйствах. Затем возникло разделение труда – появились ремесленники. Знание ремесла передавалось от отца к сыну, от мастера к ученику, оставаясь закрытым для посторонних. Переход от ремесленного к промышленному производству был невозможен без разработки научных основ обработки материалов и создания высокопроизводительных технологий. Не случайно поэтому проведение в 1868–1869 гг. исследований, посвящен ных обработке материалов, проведенных И.А. Тиме, итог которых описан в его книге «Сопротивление металлов и дерева резанию». Повышение производительности обработки резанием было важнейшей за дачей, и она решалась созданием высокопроизводительных инструментальных материалов – быстрорежущих сталей (1914 г.), твердых сплавов (1930-е гг.). В 1950–1960-е гг. получили промышленное использование режущая керамика и сверхтвердые материалы на основе алмаза и нитрида бора. Это позволило резко увеличить скорость резания и повысить производительность обработки. При этом получение твердых сплавов и керамики стало возможным только в результате разработки в промышленных масштабах порошковой технологии производства материалов. Были разработаны технологии высокопроизводительной обработки матери алов методами пластической деформации, литья. Создание электрохимических и электрофизических технологий позволило выполнять обработку, т.е. изготавливать изделия из материалов, которые раньше обработать было невозможно – например, обработка непластичных материалов высокой твердости, даже алмаза. Производство композиционных материалов и изделий из них требует ис пользования самых разнообразных технологий. Это традиционные технологии, используемые для производства металлических и неметаллических материалов, а также новейшие плазменные, электрофизические, электрохимические и др. Взаимное влияние материаловедения и технологии материалов можно просле дить на некоторых прорывных технологиях. Металлургия освоила производство сверхчистых сплавов, необходимых для электронной промышленности, космической отрасли. Промышленное производство твердых сплавов и керамики стало возмож ным только в результате разработки порошковой технологии производства материалов. Производство синтетических алмазов и нитрида бора не могло быть реали зовано без мощного технологического прорыва – создания технологий высокого давления. Создание материалов с памятью формы решило проблему надежных соеди нений трубопроводов, позволило создать самораскрывающиеся антенны космических аппаратов. Материалы с высокими значениями удельной прочности и жесткости вос требованы авиационной и космической промышленностью. Таким образом, материаловедение и технология получения и обработки ма териалов являются приоритетными науками.
Введение Настоящий учебник посвящен изучению металлических, неметаллических и композиционных материалов, их получению и обработке. Первая часть посвящена строению материалов, и технологиям производства (получения) материалов. Вторая часть посвящена изучению структуры и свойств, а также примене нию материалов в промышленности. В третьей части рассмотрены формообразующие технологии, т.е. изготовле ние заготовок и деталей из металлических, неметаллических и композиционных материалов. Учебник предназначен для бакалавров и магистров высших учебных заве дений, обучающихся по направлениям «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», «Автоматизация промышленных процессов и производств», также будет интересен для студентов, обучающихся по направлению «Материаловедение и технологии материалов» и специалистам машиностроительных предприятий.
часть I строение Материалов и технология их производства Глава 1. Типы МежАТоМНых СВязей и их ВлияНие НА СВойСТВА МАТериАлоВ. СТроеНие МАТериАлоВ 1.1. Типы МежАТоМНых СВязей. КриСТАлличеСКое и АМорфНое СТроеНие 1.1.1. Типы межатомных связей Между атомами в твердых телах действуют силы притяжения и отталкивания. Первые удерживают атомы вместе, при этом образуется целостный материал, вторые не дают атомам слиться. Твердые вещества существуют при равновесии сил притяжения и отталкивания. Природа сил отталкивания одинакова во всех твердых веществах. Твердые веще ства образуются, когда атомы сближаются так, что орбиты их внешних электронов перекрываются. При этом положительные заряды ядер атомов уже не полностью экранируются электронами, вследствие чего между одинаково заряженными ионами возникают силы отталкивания. В отличие от сил отталкивания, имеющих одинаковую природу, природа сил притяжения различна, и именно она определяет свойства материала. Различают четыре вида межатомной связи: ионную, ковалентную, металлическую и силы Ван-дерВаальса. Ионная связь присуща соединениям, образованным разнородными атомами. Внешние электроны атомов одного элемента переходят на внешние орбиты атомов другого элемента, образуя устойчивые электронные конфигурации. В качестве типичного примера вещества с ионным типом связи можно привести поваренную соль – NaCl. Натрий принадлежит к I группе Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, на его внешней орбите находится один электрон. Хлор – элемент VII группы, на его внешней орбите расположено семь электронов. Переход одного электрона натрия на орбиту хлора приводит к образованию двух разнозаряженных ионов с устойчивой конфигурацией. Положительный ион натрия получает устойчивую конфигурацию неона; отри цательный ион хлора – устойчивую конфигурацию аргона. Межатомные силы притяжения – электростатические, ионная связь является сильной.
Часть I. Строение материалов и технология их производства В твердых веществах с ионной связью каждый положительный ион имеет сво ими ближайшими соседями ионы только отрицательные и, наоборот (рис. 1.1). Таким образом, атомы в веществе располагаются строго упорядоченно. Ионный тип связи характерен для соединений «металл – кислород» – оксидов (MgO, Al2O3, ZrO2). Они обладают весьма высокой твердостью. Наиболее известный и широко распро страненный материал с ионным типом связи – стекло, основой которого являются оксиды различных элементов. Ковалентная связь устанавливается в ре зультате образования устойчивых соединений путем обобществления атомами нескольких электронов. Примером такой связи может служить молекула хлора, образованная двумя атомами, имеющими каждый по семь электронов на внешней орбите. Устойчивая конфигурация, для которой характерно наличие восьми атомов на внешней орбите, образуется у каждого атома в результате обобществления одного из его электронов другим атомом (рис. 1.2). Образование устойчивых конфигураций определяется правилом (8 – N), где N – число электронов на внешней орбите. Так, при образовании молекулы кислорода обобществляются два атома, поскольку на его внешней орбите на ходится шесть электронов. Ковалентная связь характерна для многих кристаллических твердых тел. Например, алмаз – кристаллическая модификация углерода с ковалентной связью. Углерод имеет четыре валентных электрона. Образование алмаза осуществляется при обобществлении по одному электрону четырьмя атомами. Материалы с ковалентным типом связи – углерод, гер маний, сурьма – образуют элементы IV–VI групп подгруппы Периодической системы Д.И. Менделеева. Ковалентная связь характеризуется жесткой направленностью, поэтому кристаллические вещества с ковалентной связью обладают высокой твердостью, высокими температурами плавления, но низкой пластичностью, например, углерод с кубической кристаллической решеткой – алмаз, нитрид бора. Некоторые элементы этих групп могут образовывать сло истые вещества с молекулярно-ковалентными связями. В слое связь ковалентная, сильная, а связь между слоями в молекуле слабая, определяемая силами Вандер-Ваальса (графит – углерод, имеющий, в отличие от алмаза, не кубическую, а слоистую структуру). Величина силы связи зависит от природы вещества. Так, она весьма велика у алмаза и значительно (на несколько порядков) слабее у полимеров. Металлическая связь образуется вследствие того, что атомы металлов имеют небольшое количество (один или два) внешних (валентных) электронов, которые слабо связаны с ядром. При сближении атомов электроны, находящиеся на внешних оболочках, теряют связь со своими атомами, они коллективизи рис. 1.1. Кристаллическая решетка NaCl 2,81Å Cl– Na+ рис. 1.2. Молекула хлора (схема)
Глава 1. Типы межатомных связей и их влияние на свойства материалов руются, т.е. становятся достоянием всех атомов данного металла, образуя «электронный газ». Положительно заряженные ионы располагаются на таком расстоянии друг от друга, что силы притяжения между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными ионами уравновешиваются силами отталкивания между ионами. Наличие электронного газа опре деляет такие важнейшие свойства металла, как высокие тепло- и электропроводность, пластичность, т.е. способность изменять форму без разрушения. Поэтому при изготовлении металлопродукции широко применяют методы пластического деформирования – ковку, прокат, волочение. Силы Ван-дер-Ваальса возникают вследствие того, что атомы являются малы ми диполями. Среднее во времени пространственное распределение электронов в атоме симметрично относительно ядер, но в каждый конкретный момент центр отрицательных зарядов может не совпадать с ядром, имеющим положительный заряд, что и образует диполь. Взаимодействие диполей приводит к появлению сил притяжения. Это взаимодействие несколько усиливается вследствие того, что наличие диполя, образованного одним атомом, способствует появлению диполя у соседнего атома. Межатомное притяжение за счет сил Ван-дер-Ваальса существует всегда, на ряду с прочими видами связи, т.е. во всех веществах. Однако эти силы слабы и их учитывают только при отсутствии более сильных связей других типов. Так, они важны для веществ со слоистой структурой, где связь между слоями осуществляется только за счет этих сил (например, графит). Эти силы также связывают большие органические молекулы – основу термопластичных полимеров (см. далее). 1.1.2. Кристаллическое и аморфное строение Вещества (материалы) c разными типами межатомных связей могут иметь кри сталлическое, аморфное или смешанное (комбинированное) строение. Кристаллические вещества характеризуются упорядоченным расположением в пространстве частиц, из которых они состоят (ионов, атомов, молекул). Аморфное вещество можно рассматривать как переохлажденную жидкость. Для аморфного состояния, в отличие от кристаллических веществ, характерно неупорядоченное расположение частиц в пространстве. От жидкости с ее неупорядоченным расположением атомов аморфные вещества отличаются наличием ближнего порядка атомного расположения, но дальний порядок (периодичность) отсутствует. Аморфное состояние можно зафиксировать как в органических (полимеры), так и неорганических (стекла) веществах. Один и тот же (по химическому составу) материал может иметь либо кристаллическое, либо аморфное строение. Материалы с ионным типом связи. Кристаллическое строение характерно для химических соединений (например, NaCl, см. рис. 1.1). Вместе с тем, некоторые стекла (основа их химического состава именно химические соединения – оксиды) могут иметь и кристаллическое, и аморфное строение. Переход из аморфного рис. 1.3. Силы Ван-дер-Вальса. Взаимодействие диполей
Часть I. Строение материалов и технология их производства в кристаллическое состояние происходит при нагреве, при этом стекла теряют прозрачность, т.е. резко меняют свои свойства (в данном случае оптические). Материалы с ковалентным типом связи. Аморфное или кристаллическое стро ение могут иметь полимеры. Алмаз, у которого преобладают ковалентные связи, имеет кристаллическое строение. Металлы могут находиться не только в кристаллическом (что более типично), но и аморфном, стеклообразном состоянии (металлические стекла). В кристаллическом и стеклообразном состоянии свойства одного и того же металла (сплава) существенно отличаются. Принципиально по-иному изменяется электрическое сопротивление при нагреве, в стеклообразном состоянии металлы могут обладать особыми магнитными свойствами и т.п. (см. ниже главу 14). 1.2. МеТАллы. КриСТАлличеСКое СТроеНие 1.2.1. Кристаллические решетки Кристаллическое строение имеют наиболее распространенные конструкци онные материалы – металлы и сплавы на их основе. Кроме того, такое строение присуще многим неметаллическим веществам с ковалентным или ионным типом связи, оно характеризуется правильным, закономерным расположением атомов (или ионов) в пространстве. Атомы, правильно расположенные в одной пло скости и соединенные воображаемыми линиями, символизирующими силы связи, образуют кристаллографическую плоскость (рис. 1.4). Многократное повторение кристаллографических плоскостей в пространстве позволяет получить пространственную кристаллическую решетку (рис. 1.5), минимальный объем которой называется элементарной кристаллической ячейкой. Кристаллические решетки характеризуются сле дующими основными параметрами: периодом решетки, координационным числом, атомным радиусом, базисом (атомной плотностью). Периодом решетки называется расстояние между центрами двух соседних частиц (атомов, ионов) в элементарной ячейке решетки, и для металлов он составляет 0,1…0,7 нм. Под атомным радиусом понимают половину рас стояния между центрами ближайших атомов в кристаллической решетке. Базисом решетки называется количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки. Координационное число – это число ближайших равноудаленных от атома (иона) соседних атомов (ионов). Для описания элементарной кристаллической ячейки используют отрезки a, b, c, равные рассто рис. 1.4. Кристаллографическая плоскость (схема) рис. 1.5. Пространственная кристаллографическая решетка (схема)
К покупке доступен более свежий выпуск
Перейти