Материаловедение


СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Серия основана в 2001 году





Г.Г. СЕФЕРОВ В.Т. БАТИЕНКОВ Г.Г. СЕФЕРОВ А.Л. ФОМЕНКО




МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ



УЧЕБНИК



Под редакцией кандидата технических наук, доцента В. Т. Батиенкова




                                  Допущено Государственным комитетом Российской Федерации по строительству и жилищно-коммунальному комплексу в качестве учебника для студентов средних специальных учебных заведений, обучающихся по специальности «Монтаж и эксплуатация

оборудования и систем газоснабжения»





Электронно-





znanium.com

Москва ИНФРА-М
2024

УДК 620.22(075.32)
ББК 30.3я723
     С33

     Авторы:
        Сеферов Гр.Георг. — кандидат технических наук, доцент;
        Батиенков В.Т. — кандидат технических наук, доцент;
        Сеферов Гр.Гр.;
        Фоменко А.Л.

     Рецензенты:
        Дорофеев Ю.Г. — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Материаловедение и технология материалов» Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института);
        Шилов В.А. — заместитель генерального директора по научной работе ОАО ПСП «Севкавнипиагропром»



      Сеферов Г.Г.
С33 Материаловедение : учебник / Г.Г. Сеферов, В.Т. Батиенков, Г.Г. Се-феров, А.Л. Фоменко ; под ред. канд. техн. наук, доц. В.Т. Батиенко-ва. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 151 с. — (Среднее профессиональное образование). — DOI 10.12737/978.
         ISBN 978-5-16-016094-8 (print)
         ISBN 978-5-16-100403-6 (online)
         Изложены основы материаловедения, приведены сведения о материалах и изделиях, применяемых для систем газоснабжения, освещены современные методы защиты газопроводов от коррозии.
         Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов среднего профессионального образования последнего поколения.
         Для студентов и преподавателей, а также всех интересующихся проблемами материаловедения.

УДК 620.22(075.32)
ББК 30.3я723

ISBN 978-5-16-016094-8 (print)
ISBN 978-5-16-100403-6 (online)

© Сеферов Г.Г., Батиенков В.Т., Сеферов Г.Г., Фоменко А.Л., 2005

            ПРЕДИСЛОВИЕ


   В учебнике с привлечением большого количества справочного материала изложены физико-механические основы материаловедения, приведены сведения о материалах и изделиях, применяемых для систем газоснабжения, современных методах защиты газопроводов от коррозии.
   Учебник разработан в соответствии с Государственным образовательным стандартом среднего профессионального образования по специальности 2915 «Монтаж и эксплуатация оборудования и систем газоснабжения», предусматривающим изучение учебной дисциплины «Материаловедение». Он может быть также полезен инженерно-техническому персоналу, работающему по данной специальности.
   Преподавание указанного учебного курса должно иметь практическую направленность и стать необходимой базой для последующего изучения других дисциплин — санитарно-техническое оборудование зданий, газовые сети и установки, эксплуатация оборудования и систем газоснабжения.
   Авторы — канд. техн. наук, доц. Гр.Георг. Сеферов, канд. техн. наук, доц. В.Т. Батиенков, Гр.Гр. Сеферов, А.Л. Фоменко.
   Авторы выражают благодарность рецензенту — зав. кафедрой «Материаловедение и технология материалов» Южно-Российского государственного технического университета, д-ру техн. наук, проф. Ю.Г. Дорофееву за замечания и пожелания, способствовавшие улучшению содержания, а также главному специалисту ЦНИИЭП жилища Б.И. Штейману за большую научно-техническую и методическую помощь при редактировании рукописи.

3

            ВВЕДЕНИЕ


   Материаловедение — наука, изучающая связь между составом, строением и свойствами металлических сплавов и неметаллических материалов, а также рассматривающая закономерности их изменения под влиянием механических, физико-химических и других видов воздействий.
   Свойства материалов определяются не только химическим составом, но и их структурой. Изменять структуру можно различными путями: легированием, гранулированием, деформированием, термической, химико-термической и термомеханической обработками и др. На структуру и свойства материалов помимо этого оказывают влияние высокое давление, вакуум, ультразвук, скорость охлаждения, ядерное облучение, обработка лазером и т.д.
   Материаловедение базируется на научных основах физики, химии и новейших достижениях в области технологии получения полуфабрикатов и изделий.
   Основы современного материаловедения были заложены выдающимися русскими учеными в области металлургии П.ПАносовым (1799—1855), впервые установившим связь между строением стали и ее свойствами, и Д.К.Черновым (1839—1921), который в 1868 г. открыл структурные превращения в сталях при их нагреве и охлаждении. Д.К. Чернов по праву считается основоположником металлографии — науки о строении металлов и сплавов. Его научные открытия легли в основу процессов ковки, прокатки и термической обработки стали. Дальнейшее развитие металловедение получило в работах видных отечественных ученых: Н.И. Беляева, Н.С. Курна-кова, А.А. Байкова, С.С. Штейнберга, А.А. Бочвара, Г.В. Курдюмова и др.
   Наука о металлах развивается динамично, используя электронные микроскопы, микрорентгеноспектральный анализ и другую современную аппаратуру. Все это позволяет более глубоко и полно изучить строение металлов и сплавов, находить новые пути повышения их механических и физико-технических свойств. Создаются сверхтвердые сплавы, многослойные композиции с широким спектром свойств, металлические, алмазные и керамико-металлические материалы. В то же время в строительстве и прокладке газопроводов все большее применение получают полимерные материалы, обладающие совокупностью необходимых свойств и высокой долговечностью.

4

   Знание основ материаловедения необходимо каждому специалисту, работающему в области создания, эксплуатации оборудования и систем газоснабжения. Только изучив свойства материалов, можно обоснованно выбрать их для использования, правильно разработать технологический процесс обработки.

Раздел I. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ
       ОСНОВЫ
       МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ.
       ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ



ГЛАВА 1. СТРОЕНИЕ, ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И СПОСОБЫ ИСПЫТАНИЙ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ


            1.1.  Основные виды металлов


  Металлы — материалы, обладающие высокой тепло- и электропроводностью, ковкостью, металлическим блеском, непрозрачностью и другими свойствами. Металлы и сплавы на их основе характеризуются комплексом механических, физических, химических и технологических свойств, обеспечивающих широкое применение в различных отраслях техники, промышленности, жилищном и дорожном строительстве.
  Металлы условно делят на черные (железо и сплавы на его основе — сталь, чугун) и цветные.


            1.2.  Кристаллическое строение металлов


  В твердом состоянии металлы и металлические сплавы обладают кристаллическим строением со строго определенным расположением атомов. Кристаллические тела состоят из множества мелких зерен (кристаллитов), внутри которых атомы расположены закономерно, образуя в пространстве правильную кристаллическую решетку. В идеальной кристаллической решетке атомы находятся на определенных расстояниях друг от друга и располагаются в определенных местах. Такое упорядоченное расположение атомов отличает кристаллическое тело от аморфного, в котором атомы рас

6

положены беспорядочно. Аморфное твердое тело является изотропным, т.е. обладает одинаковыми свойствами во всех направлениях. Кроме того, ему присущи высокая твердость, хорошая коррозионная стойкость и другие свойства. Если такое тело нагреть до определенной температуры, которая приведет к значительному повышению тепловой активности атомов, то его аморфное состояние перейдет в кристаллическое. Можно получить и смешанную структуру— аморфную основу и образовавшиеся в ней кристаллы.
   Кристаллическим веществам свойственна анизотропия свойств, они обладают различными свойствами в разных направлениях. Это объясняется тем, что число атомов, приходящихся на то или иное плоское сечение кристаллической решетки, неодинаково.
   В кристаллах всегда имеются дефекты (несовершенства) строения, вызванные нарушением расположения атомов в кристаллической решетке. Характер и степень нарушения правильности кристаллического строения определенным образом сказываются на свойствах металлов. Дефекты кристаллического строения по геометрическим признакам подразделяют на точечные, линейные и поверхностные.
   К точечным дефектам относятся вакансии и межузельные атомы. Атомы находятся в колебательном движении около узлов кристаллической решетки, а нагревание увеличивает амплитуду этих колебаний. Большинство атомов металла в решетке обладают одинаковой (средней) энергией, однако отдельные из них имеют энергию, превосходящую среднюю, и могут перемещаться из одного места в другое. Так, атомы, расположенные ближе к поверхности, выходят на поверхность, а их место могут занять атомы, находящиеся дальше от нее. Освободившееся место, где находился переместившийся атом, называется вакансией. Число вакансий увеличивается с повышением температуры, при обработке давлением, облучением и других видах воздействий. Вакансии играют важную роль в диффузионных процессах, происходящих в металлах и сплавах.
   Межузельные дефекты образуются вследствие перехода атома из узла решетки в межузлие кристаллической решетки. Точечные дефекты приводят к искажению кристаллической решетки (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Дефекты кристаллической решетки: а — вакансия; б — межузельный атом

7

   Линейные дефекты называются дислокациями. Различают два вида дислокаций — краевые и винтовые. Краевая дислокация представляет собой местное искажение кристаллической решетки; винтовая дислокация образуется при неполном сдвиге кристалла в плоскости. Дислокации происходят в процессе кристаллизации, при термической и химико-термической обработках, пластической деформации и других видах воздействий на структуру металлов. Для дислокации характерна большая подвижность. Это связано с тем, что кристаллическая решетка в зоне нахождения дислокации упруго искажена, а смещенные атомы стремятся переместиться в равновесное положение. На свойства металлов влияет не только плотность дислокаций, но и их расположение в объеме.
   Поверхностные дефекты представляют собой поверхности раздела между отдельными кристаллами или их блоками. На границах зерен расположение атомов менее правильное, чем в зерне.
   Вакансии, дислокации и другие дефекты атомно-кристаллического строения оказывают существенное влияние на свойства металлов.
   Металлы и сплавы могут находиться в трех агрегатных состояниях — твердом, жидком и газообразном. Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Этот вид кристаллизации является первичной в отличие от вторичной кристаллизации (перекристаллизации), которая имеет место в твердом металле. В чистых металлах твердое состояние переходит в жидкое при температуре плавления, жидкое в газообразное — при температуре кипения. Температура плавления металлов колеблется от —39 °C (для ртути — самого легкоплавкого металла) до +3390 °C (для вольфрама — самого тугоплавкого металла).
   На рис. 1.2 приведена схема, показывающая механизм кристаллизации металла.

■■BS

Рис. 1.2. Схема кристаллизации металлов

8

   До тех пор пока формирующийся вокруг центра кристаллизации кристалл окружен жидким расплавом металла, он имеет строго определенную геометрическую форму, однако при столкновении и срастании кристаллов их правильная форма нарушается и обра

зуются так называемые кристаллиты — зерна.
   Величина зерна зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста. На образование центров кристаллизации влияет скорость охлаждения. Чем больше степень охлаждения, тем больше центров кристаллизации и меньше размер зерна. Чем мельче зерно, тем выше механические свойства металла (сплава). Особенно это сказывается на пластичности металла. На процесс кристаллизации оказывает влияние ультразвук, модифицирование, введе

Рис. 1.3. Схема дендрита Д.К.Чернова

ние порошков, частицы которых служат центрами кристаллизации; поверхностно-активные вещества, облегчающие образование зародышей, и др.
   Обычно механизм образования кристаллов носит дендритный характер, поскольку развитие зародышей протекает главным образом в тех направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов и минимальное расстояние между ними. В этих направлениях образуются ветви — оси первого порядка / (рис. 1.3).От этих осей начинают расти новые оси второго II, от осей второго — оси третьего порядка IIIи т.д.



            1.3. Кристаллические решетки, их типы. Полиморфные превращения


   Металлы имеют кристаллические решетки различных типов. Чаще всего встречаются: кубическая объемно-центрированная (ОЦК), кубическая гранецентрированная (ГЦК), гексагональная плотноупакованная (ГПУ) кристаллические решетки.
   Показанные на рис.1.4 наименьшие объемы кристаллов называются элементарными кристаллическими ячейками, с помощью которых представляют атомное строение металлов.
   В элементарной ячейке кубической объемно-центрированной решетки (рис. 1.4, а) содержится девять атомов: восемь располагаются по узлам ячейки и один атом — в центре. Такой тип решетки


9

Рис. 1.4. Элементарные кристаллические ячейки: а — кубическая объемно-центрированная; б—кубическая гранецентрированная; в — гексагональная плотноупакованная

имеют литий, калий, рубидий, ванадий, молибден, вольфрам, ниобий, тантал, а-железо и другие металлы.
   В элементарной ячейке кубической гранецентрированной решетки (рис.1.4, б) находится четырнадцать атомов, которые расположены в углах ячейки и в центре каждой грани. Этот тип решетки имеют свинец, никель, серебро, золото, медь, алюминий, платина, кальций, у-железо, церий, а-кальций и др.
   В элементарной ячейке гексагональной плотноупакованной решетки (рис. 1.4, в) содержится семнадцать атомов, которые расположены в углах ячейки, центрах

шестигранных оснований призмы, и три атома в средней плоскости призмы. Такую решетку имеют магний, цинк, кадмий, рений, бериллий, гафний, титан (а-фаза), осмий и др.

Размеры кристаллической решетки характеризуются рассто-

янием между центрами соседних атомов, находящихся в верши

нах элементарных ячеек, называемым параметром или периодом решетки. Кубическую решетку характеризует один параметр — длина ребра куба а, а гексагональную — два параметра а и с или их отношение с/'а.
   Плотность различных кристаллических решеток разная и характеризуется координационным числом К, под которым понимают число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома. Координационное число для кубической объемно-центрированной решетки равно восьми (К8), и коэффициент заполнения (отношение объема, занятого атомами, к объему всей ячейки) равен 68%. Для гранецентрированной и гексагональной кристаллических решеток координационное число равно двенадцати (К12), а коэффициент заполнения — 74%.
   Полиморфизмом или аллотропией называют способность металла в твердом состоянии при изменении температуры перестраивать свою кристаллическую решетку. Полиморфные превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты, а также изменением свойств металла. Различные аллотропические

10