Материаловедение специальных отраслей машиностроения
Покупка
Новинка
Тематика:
Материаловедение
Издательство:
Химиздат
Год издания: 2024
Кол-во страниц: 784
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
Профессиональное образование
ISBN: 978-5-93808-476-6
Артикул: 829747.01.99
Доступ онлайн
В корзину
Изложены основы металловедения черных и цветных металлов и сплавов на их основе. Рассмотрены фундаментальные положения технологии термической обработки сталей, чугунов, цветных металлов и сплавов. Приведены основные закономерности формирования структуры и свойств всех групп промышленных сталей и сплавов, неметаллических материалов на основе полимеров, керамических и композиционных материалов. Даны рекомендации по их применению в ряде специальных отраслей машиностроения. Рассмотрены марки и области применения высокопрочных конструкционных сталей, хладостойких сталей и сталей криогенной техники, композиционных и порошковых материалов, судостроительных корпусных сталей и сталей для ледовых платформ, керамических и износостойких материалов, материалов для пищевой промышленности. Приведены методы оценки конструкционной прочности металлов и пути ее повышения. Рассмотрены свойства и области применения материалов специального назначения: магнитных и электротехнических, сверхпроводящих, с особыми тепловыми и упругими свойствами, металлов с памятью формы, радиационностойких и аморфных материалов. Изложены методология и принципы выбора материалов для конкретных изделий с учетом рабочих условий их применения. Рекомендовано в качестве учебного пособия для студентов и аспирантов машиностроительных и общетехнических вузов. Может быть полезно студентам, обучающимся по смежным специальностям, а также преподавателям, инженерно-техническим работникам заводов, научно-исследовательских и проектных организаций.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 00.03.33: Материаловедение
- 15.03.01: Машиностроение
- ВО - Магистратура
- 15.04.01: Машиностроение
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Ю. Я. Солнцев В. Ю. Яирайнен С. А Вологжанина МАТЕРИАЛА ВЕДЕНИЕ специальных отраслей МАШИНОСТРОЕНИЯ Под редакцией заслуженного деятеля науки и техники РФ, проф., д-ра техн. наук Ю. П. Солнцева Рекомендовано Учебно-методическим объединением по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 140400 — Техническая физика Санкт-Петербург ХИМИЗДАТ • 2024
УДК 620.22 С 601 Издание выпущено при поддержке Комитета по печати и взаимодействию со средствами массовой информации Санкт-Петербурга Рецензенты: 1. Начальник 18 кафедры Военно-космической академии им. А. Ф. Можайского д-р техн. наук профессор М. М. Пеньков 2. Начальник сектора ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей" д-р техн. наук В. В. Цуканов Солнцев Ю. П., Пирайнен В. Ю., Вологжанина С. А. С 601 Материаловедение специальных отраслей машиностроения: Учебное пособие. — СПб.: ХИМИЗДАТ, 2024, изд. 5-е, стереот. - 784 с.: ил. ISBN 978-5-93808-476-6 Изложены основы металловедения черных и цветных металлов и сплавов на их основе. Рассмотрены фундаментальные положения технологии термической обработки сталей, чугунов, цветных металлов и сплавов. Приведены основные закономерности формирования структуры и свойств всех групп промышленных сталей и сплавов, неметаллических материалов на основе полимеров, керамических и композиционных материалов. Даны рекомендации по их применению в ряде специальных отраслей машиностроения. Рассмотрены марки и области применения высокопрочных конструкционных сталей, хладостойких сталей и сталей криогенной техники, композиционных и порошковых материалов, судостроительных корпусных сталей и сталей для ледовых платформ, керамических и износостойких материалов, материалов для пищевой промышленности. Приведены методы оценки конструкционной прочности металлов и пути ее повышения. Рассмотрены свойства и области применения материалов специального назначения: магнитных и электротехнических, сверхпроводящих, с особыми тепловыми и упругими свойствами, металлов с памятью формы, радиационно-стойких и аморфных материалов. Изложены методология и принципы выбора материалов для конкретных изделий с учетом рабочих условий их применения. Рекомендовано в качестве учебного пособия для студентов и аспирантов машиностроительных и общетехнических вузов. Может быть полезно студентам, обучающимся по смежным специальностям, а также преподавателям, инженерно-техническим работникам заводов, научноисследовательских и проектных организаций. 2703000000—015 050(01)—24 Без объявл. ISBN 978-5-93808-476-6 © Солнцев Ю. П., Пирайнен В. Ю., Вологжанина С. А. © ХИМИЗДАТ, 2007, 2024
ОГЛАВЛЕНИЕ Введение 11 Глава 1. ОСНОВЫ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ 17 1.1. Общая характеристика металлов и сплавов 17 1.2. Дефекты строения кристаллических тел 19 1.3. Диаграмма состояния системы железо-углерод 27 1.4. Влияние углерода и примесей на свойства сталей 35 1.4.1. Влияние углерода 35 1.4.2. Влияние примесей 36 1.4.3. Классификация углеродистых сталей 38 1.5. Влияние легирующих элементов на превращения 39 и свойства сталей 1.5.1. Классификация легированных сталей 41 1.5.2. Маркировка сталей по российским 42 и международным стандартам 1.6. Чугуны 54 Глава 2. ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ 58 2.1. Классификация видов термической обработки стали 58 2.2. Превращения в стали при нагреве. Образование 60 аустенита 2.3. Диффузионные превращения аустенита 63 при охлаждении стали 2.4. Мартенситное превращение аустенита 65 2.5. Промежуточное (бейнитное) превращение 67 аустенита 2.6. Технология термической обработки стали 69 2.6.1. Отжиг стали 69 2.6.2. Закалка стали 73 2.6.3. Отпуск стали 78 2.7. Поверхностное упрочнение стальных изделий 80 2.7.1. Упрочнение поверхности методом 80 пластического деформирования 2.7.2. Поверхностная закалка 81 2.7.3. Химико-термическая обработка 82 Глава 3. РАЗРУШЕНИЕ И КОНСТРУКЦИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ 86 МАТЕРИАЛОВ 3.1. Упругая и пластическая деформация 86 3.2. Хрупкое и вязкое разрушение 89 3.3. Факторы, определяющие характер разрушения 95 3.4. Испытания механических свойств материалов 99 3.5. Особенности испытаний механических свойств 106 при низких температурах 3.6. Испытания долговечности материалов 113 3.6.1. Усталостные испытания 113 3
3.6.2. Испытания на ползучесть 116 3.6.3. Трибологические испытания 120 3.7. Оценка конструкционной прочности методами 122 механики разрушения 3.7.1. Трещиностойкость (cracking resistance) 122 металлов и коэффициент интенсивности напряжений 3.7.2. Испытания на вязкость разрушения 126 3.7.3. Примеры практического использования 132 параметров вязкости разрушения 3.8. Специальные методы испытаний 135 3.9. Неразрушающие методы контроля 140 Глава 4. ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ ВЫСОКОПРОЧНОГО 157 СОСТОЯНИЯ 4.1. Современная концепция высокопрочного 157 состояния 4.2. Механизмы упрочнения и процессы упрочнения 159 4.2.1. Напряжение трения решетки 160 4.2.2. Твердорастворное упрочнение 161 4.2.3. Дислокационное упрочнение 163 4.2.4. Упрочнение выделениями дисперсных 164 частиц (дисперсионное твердение) 4.2.5. Зернограничное упрочнение 166 4.2.6. Влияние фазовых превращений 168 на упрочнение Глава 5. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННОЙ 170 ПРОЧНОСТИ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ 5.1. Технология производства чистой стали 170 5.1.1. Способы массового производства 170 5.1.2. Электрорафинирующие переплавы 174 5.1.3. Управление природой неметаллических 175 включений 5.1.4. Снижение содержания углерода и других 179 элементов 5.2. Формирование структуры дисперсными 180 выделениями 5.3. Комбинированное термомеханическое воздействие 185 5.4. Регулирование размеров зерна термоциклированием 188 5.5. Перспективы космического материаловедения 190 5.6. Двухфазные стали с высокой деформационной 194 способностью Глава 6. ВЫСОКОПРОЧНЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ 199 6.1. Особенности требований к высокопрочным 199 конструкционным сталям 6.2. Легированные низкоотпущенные стали 201 6.3. Дисперсионно-твердеющие стали 203 4
6.4. Мартенситно-стареющие стали 207 6.5. ПНП-стали 211 6.6. Стали со сверхмелким зерном 213 Глава 7. КОРРОЗИЯ И КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ 217 МАТЕРИАЛЫ 7.1. Общие сведения 217 7.2. Виды электрохимической коррозии 219 7.3. Оценка коррозионной стойкости 225 7.4. Методы защиты от коррозии 229 7.5. Коррозионностойкие стали 232 7.5.1. Требования к механическим 232 и технологическим свойствам 7.5.2. Влияние легирующих элементов 237 на коррозионную стойкость 7.6. Хромистые стали мартенситного, мартенситно- 240 ферритного и ферритного классов 7.7. Аустенитные, аустенитно-ферритные 242 и аустенитно-мартенситные стали 7.8. Железоникелевые сплавы 248 Глава 8. ИЗНОС И ИЗНОСОСТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ 250 8.1. Общие сведения 250 8.2. Смазочные материалы 250 8.3. Классификация и виды износа 254 8.4. Закономерности изнашивания сопряженных 258 деталей, образующих пары трения 8.5. Износостойкие стали 263 8.5.1. Влияние химического состава 263 на структурные составляющие, определяющие износостойкость 8.5.2. Подшипниковые стали 265 8.5.3. Графитизированные стали 268 8.5.4. Высокомарганцовистые аустенитные стали 269 8.5.5. Метастабильные хромомарганцевые 270 аустенитные стали 8.6. Металлокерамические твердые сплавы 271 8.6.1. Твердые сплавы в качестве износостойких 272 материалов 8.6.2. Применение твердых сплавов 276 8.7. Антифрикционные материалы 278 8.7.1. Металлические материалы 279 8.7.2. Неметаллические и комбинированные 284 материалы 8.7.3. Минералы 287 8.7.4. Керамические материалы 287 8.8. Трибологические наноструктурные покрытия 288 8.9. Металлические износостойкие покрытия 291 5
Глава 9. ПОКРЫТИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ 299 9.1. Общая характеристика покрытий и способов их 299 нанесения 9.2. Нанесение металлических покрытий 302 9.2.1. Нанесение металлических покрытий 302 погружением в расплав 9.2.2. Гальванические покрытия 305 9.2.3. Осаждение покрытий из газовой фазы 308 в вакууме 9.2.4. Напыление покрытий 310 9.3. Виды металлических покрытий 313 9.3.1. Цинковые покрытия 313 9.3.2. Алюминиевые покрытия 314 9.3.3. Оловянные и хромсодержащие покрытия 315 9.3.4. Покрытия плакированием 316 9.3.5. Осаждение в вакууме или из газовой фазы 316 9.3.6. Наноструктурные покрытия, обладающие 317 стойкостью к высокотемпературному окислению 9.4. Неметаллические покрытия 318 9.4.1. Неорганические покрытия и способы их 318 нанесения 9.4.2. Органические полимерные покрытия 319 и способы их нанесения 9.4.3. Лакокрасочные покрытия 332 9.4.4. Наноструктурные покрытия для медицины 335 Глава 10. ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ 337 10.1. Технологические процессы порошковой 337 металлургии 10.2. Конструкционные материалы 345 10.3. Антифрикционные материалы 350 10.4. Фрикционные материалы 353 10.5. Пористые фильтрующие элементы 354 10.6. Инструментальные стали 356 10.7. Карбидостали 358 Глава 11. МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ 360 И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ 11.1. Сверхпроводимость и сверхпроводящие 360 материалы 11.1.1. Сверхпроводимость 360 11.1.2. Сверхпроводящие материалы 362 и технология их производства 11.1.3. Перспективы использования 367 сверхпроводящих материалов 11.2. Сплавы с особыми тепловыми и упругими 372 свойствами 6
11.2.1 . Общие сведения 372 11.2.2 . Сплавы с регламентируемым 375 температурным коэффициентом линейного расширения 11.2.3 . Сплавы с постоянным модулем упругости 378 11.3. Металлы с памятью формы 379 11.3.1. Механизм эффекта памяти формы 379 11.3.2. Технология производства и свойства 383 сплавов с эффектом памяти формы 11.3.3. Применение сплавов с эффектом памяти 386 формы 11.4. Магнитные и электротехнические стали и сплавы 395 11.4.1. Магнитотвердые материалы 396 11.4.2. Магнитомягкие материалы 399 11.4.3. Электротехнические стали 403 11.4.4. Электротехнические сплавы 408 Глава 12. РАДИАЦИОННО-СТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ 410 12.1. Основные компоненты современного ядерного 410 реактора 12.2. Радиационная повреждаемость конструкционных 412 материалов 12.3. Состав и свойства реакторных материалов 418 Глава 13. СУДОСТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ 427 13.1. Условия работы судостроительных сталей 427 и сталей для буровых платформ 13.2. Марки и сортамент 428 13.3. Основные технические требования 430 к судостроительным сталям 13.4. Состав и свойства сталей для судостроения 437 13.5. Хладостойкие морские буровые платформы 446 и трубы для магистральных трубопроводов морского шельфа 13.5.1. Основные требования к материалам 446 13.5.2. Оценка сопротивления трубопроводов 448 хрупкому разрушению 13.5.3. Влияние длительности эксплуатации 449 на остаточный ресурс прочности трубопроводов 13.5.4. Технология производства газо- 450 и нефтепроводов 13.5.5. Характеристика необходимых свойств 452 13.5.6. Металловедческие приемы получения 454 требуемых свойств сталей 13.5.7. Методика контроля повреждений 459 магистральных и промысловых газопроводов 13.6. Материалы для судовых валов и баллеров рулей 462 7
Глава 14. ЖАРОСТОЙКИЕ И ЖАРОПРОЧНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ 464 14.1. Жаростойкие стали (heat resistant steel) 464 14.2. Критерии жаропрочности материалов 470 14.3. Влияние структуры на жаропрочность сплавов 473 14.4. Жаропрочность сплавов цветных металлов 475 и сталей 478 14.5. Стали для котлостроения и трубопроводов пара 483 и горячей воды 485 14.6. Суперсплавы 487 14.6.1. Требования к материалам газовых турбин 495 14.6.2. Никелевые и кобальтовые суперсплавы 497 14.6.3. Металлургическая технология 498 жаропрочных суперсплавов 14.6.4. Перспективы применения жаропрочных суперсплавов 14.7. Тугоплавкие металлы Глава 15. АМОРФНЫЕ И НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ 507 СПЛАВЫ 15.1. Аморфные сплавы 507 15.1.1. Условия образования аморфной 507 структуры 508 15.1.2. Методы получения аморфных металлов 512 15.1.3. Свойства и применение аморфных сплавов 521 15.2. Наноструктурированные материалы 521 15.2.1. Общие сведения 523 15.2.2. Методы получения 525 наноструктурированных материалов 526 15.2.3. Получение объемных наноструктурных 528 материалов 532 15.2.4. Особенности наноструктурных материалов 532 15.2.5. Свойства и применение наноструктурных материалов в технике 15.2.6. Использование наноматериалов в медицине 15.3. Фуллерены и нанотрубки --- материалы будущего Глава 16. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ С ВЫСОКОЙ 538 УДЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТЬЮ 16.1. Титан и его сплавы 538 16.1.1. Основные свойства титана 538 16.1.2. Классификация титановых сплавов 541 16.1.3. Деформируемые титановые сплавы 542 16.1.4. Литейные титановые сплавы 551 16.1.5. Применение титана и его сплавов 552 16.2. Алюминий и его сплавы 558 16.2.1. Основные свойства алюминия 558 16.2.2. Классификация алюминиевых сплавов 560 16.2.3. Деформируемые алюминиевые сплавы 562 8
16.2.4 . Литейные алюминиевые сплавы 574 16.3. Магний и его сплавы 576 16.3.1. Основные свойства магния 576 16.3.2. Классификация магниевых сплавов 578 16.3.3. Деформируемые магниевые сплавы 580 16.3.4. Литейные магниевые сплавы 584 16.3.5. Применение магниевых сплавов 585 16.4. Бериллий и бериллиевые сплавы 586 16.4.1. Основные свойства и технологии 586 получения бериллия 16.4.2. Сплавы бериллия 588 16.4.3. Применение бериллия и его сплавов 593 Глава 17. ХЛАДОСТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ 597 17.1. Введение 597 17.2. Хладостойкие стали климатического холода 600 17.2.1. Состав и марки сталей 600 17.2.2. Влияние технологии производства на 608 хладостойкость сталей климатического холода 17.2.3. Особенности разрушения литых 615 хладостойких сталей 17.3. Стали криогенной техники 617 17.3.1. Никелевые низкоуглеродистые стали 618 17.3.2. Аустенитные стали 619 17.3.3. Метастабильные аустенитные стали 630 17.3.4. Высокопрочные мартенситно-стареющие 632 стали 17.3.5. Литейные стали 634 17.3.6. Железоникелевые сплавы 636 17.4. Сплавы цветных металлов для криогенной 637 техники 17.4.1. Алюминий и его сплавы 637 17.4.2. Титан и его сплавы 640 17.4.3. Медь и ее сплавы 641 17.5. Основы выбора конструкционных материалов 643 для работы при низких температурах 17.6. Хладостойкие неметаллические материалы 650 17.6.1. Общие сведения 650 17.6.2. Пластмассы 652 17.6.3. Клеящие материалы 658 17.6.4. Резины 663 Глава 18. СТАЛИ И СПЛАВЫ ДЛЯ ПИЩЕВОГО 664 МАШИНОСТРОЕНИЯ 18.1. Условия работы оборудования в пищевой 664 промышленности 18.2. Требования к материалам для оборудования 671 пищевых производств 9
18.2.1. Химические свойства материалов 671 18.2.2. Санитарно-гигиенические требования 673 18.2.3. Материалы, применяемые в пищевом 675 машиностроении 18.2.4. Особенности изготовления рабочих 680 органов пищевых машин Глава 19. КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 689 19.1. Керамическая технология и классификация 689 керамики 19.2. Свойства и применение керамических материалов 696 Глава 20. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 707 20.1. Общая характеристика и классификация 707 20.2. Дисперсноупрочненные композиционные 710 материалы 20.3. Матрицы и армирующие волокна 713 20.4. Волокнистые композиционные материалы 720 20.5. Слоистые композиты 733 20.6. Композиционные износостойкие материалы 736 20.7. Керамические композиционные материалы 736 Глава 21. ПРОБЛЕМЫ ВЫБОРА И ПРИМЕНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ 740 21.1. Общие принципы выбора материалов 740 21.1.1. Технические условия и стандарты 745 21.1.2. Долговечность конструкций и виды 747 отказов 21.1.3. Технологические свойства 756 21.2. Свойства и применение конструкционных 761 материалов 21.2.1. Сплавы на основе железа 761 21.2.2. Алюминий, магний и цинк 765 21.2.3. Титан 769 21.2.4. Тугоплавкие металлы 770 21.2.5. Суперсплавы 771 21.2.6. Бериллий и медь 773 21.2.7. Керамические материалы 774 21.2.8. Композиционные материалы 776 Библиографический список 779
Посвящается коллективу библиотеки Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий ВВЕДЕНИЕ Материаловедение — прикладная наука, изучающая взаимосвязи между составом, строением и свойствами материалов и сплавов в различных условиях. Изучение этой дисциплины позволяет осуществить рациональный выбор материалов для конкретного применения. Материаловедение — постоянно развивающаяся наука, непрерывно обогащающаяся за счет разработки новых сталей, сплавов и неметаллических материалов, в свою очередь стимулирующих прогресс во всех областях науки и техники. Только за последние десятилетия созданы новые полупроводники, сверхпроводящие материалы, аморфные сплавы, композиционные материалы, керамики, сплавы высокой жаропрочности и радиационной стойкости, без которых невозможно развитие авиации и космонавтики, электроники, радиотехники и других отраслей промышленности. Как наука металловедение насчитывает около 200 лет, несмотря на то, что человек начал использовать металлы и сплавы еще за несколько тысячелетий до нашей эры. В России первым, кто начал научно осмысливать проблемы металлургии и литейного дела, был М. В. Ломоносов (1711— 1765). Им написано учебное руководство "Первые основания металлургии или рудных дел", в котором он, описывая металлургические процессы, постарался вскрыть их физико-химическую сущность. Заметных успехов металловедение достигло лишь в XIX веке, что связано в первую очередь с использованием новых методов исследования структуры металла. В 1831 г. П. П. Аносов (1799— 1851) провел исследование булата на полированных и протравленных шлифах, впервые применив микроскоп для исследования стали. Им была установлена зависимость между свойствами булата и характером узора; тем самым он выявил существенное влияние процесса кристаллизации на качество булата и раскрыл тайну получения булатной стали. В своих работах П. П. Аносов изучил также влияние углерода на структуру и свойства стали, оценил роль ряда других элементов. П. П. Аносов стремился превратить 11
металлургию из ремесла и искусства отдельных умельцев в точную науку. Значительный вклад в развитие металловедения внесли работы английского петрографа Сорби. Он впервые применил методы петрографии к исследованию стали, рассматривая под микроскопом травленые шлифы и фотографируя структуры. После 1868 г. металловедение получило развитие как самостоятельное научное направление. В 1868 г. великий русский ученый Д. К. Чернов (1839—1921), работавший в этот период на Обуховском заводе в Санкт-Петербурге, опубликовал свою знаменитую статью "Критический обзор статей г.г. Лаврова и Калакуцкого о стали и стальных орудиях и собственные, Д. К. Чернова, исследования по этому же предмету". Эта статья содержала описание основополагающих точек превращения стали (точек а и b Чернова). Чернов установил наличие полиморфизма железа и показал, что для осуществления закалки стали эвтектоидного состава она должна быть нагрета до температуры выше точки а. Он оценил значение точки а в пределах 700—750 °C. Открытие Черновым критических точек заложило теоретический фундамент металловедения сталей, на основе которого стала интенсивно развиваться металловедческая наука. В частности, оно послужило исходной предпосылкой для построения диаграммы состояния железо — углерод, а также для определения истинной роли термической обработки в формировании структуры стали. В 1878 г. Чернов в работе "Исследования, относящиеся до структуры литых стальных болванок" предложил теорию кристаллизации стального слитка. Важным этапом в изучении строения сплавов явилось установление У. Гиббсом правила фаз и общих принципов равновесия термодинамических систем. Правило Гиббса было опубликовано в 1876 г. Позднее немецкий ученый Рузбум, используя значения критических точек стали Чернова и применяя правило Гиббса, построил классическую диаграмму равновесия системы Fe — Fe₃C. Эта диаграмма имела исключительное значение для изучения стали. Большой вклад в развитие металловедения внес Р. Аустен. Он установил природу высокотемпературной фазы в системе железо — углерод, т. е. твердого раствора, который впоследствии был назван в его честь аустенитом. Им проведены исследования по определению скорости диффузии ряда элементов и установлению связи между температурным коэффициентом диффузии и энергией активации. 12
В течение всего XIX в. проводились исследования, направленные на разработку новых сплавов. Французский инженер Бертье в 1820 г. получил сплавы железа с хромом. В 1857 г. австриец Якоб впервые создал теплостойкую вольфрамовую сталь. Однако наиболее значительным достижением в этом направлении можно считать разработку в 1883 г. англичанином Гад-фильдом (1858—1940) высокомарганцевых и кремнистых сталей, что можно считать началом широкого применения легированных сталей. Следует отметить, что до настоящего времени химический состав стали Гадфильда практически не изменился. Значительный вклад в развитие системного исследования металлических сплавов внес русский ученый Н. С. Курнаков (1860—1941). В сотрудничестве с С. Ф. Жемчужным он провел серию исследований металлических систем с использованием явления электропроводности. Метод изучения изменений свойств в зависимости от состава сплава был положен Н. С. Курнаковым в основу разработанного им физико-химического анализа сплавов. Им были построены диаграммы состояния, устанавливающие взаимосвязь между составом и свойствами сплавов. Систематические исследования структурных и фазовых превращений были выполнены известным американским ученым Э. Бейном (1891—1974). В 1929 г. Бейн с сотрудниками опубликовал работу по исследованию распада аустенита при изотермическом отжиге. Разработка в 1902 г. американскими учеными Ф. Тейлором и М. Уайтом быстрорежущей стали произвела переворот в машиностроении. Резко возросла производительность механической обработки, появились новые быстроходные станки и автоматы. В 1906 г. немецкий исследователь А. Вильм создал высокопрочный сплав алюминия с медью — дуралюмин, прочность которого в результате старения в несколько раз превышала прочность технического алюминия и других алюминиевых сплавов при сохранении достаточного запаса пластичности. Использование дуралюмина в самолетостроении на многие годы определило прогресс в этой области техники. Немецким инженером заводов Круппа Маурером и профессором Штраусом в 1912 г. была получена хромоникелевая аустенитная нержавеющая сталь, а в 1912 г. Бренли — ферритная нержавеющая сталь. Важные результаты были получены независимо друг от друга при изучении процессов старения Гинье и Престоном в 1937— 1938 гг. Они установили момент начальной стадии образования переходной решетки, возникающей в системе матрица — выделения в момент максимального упрочнения сплавов при старении. 13
Образующиеся в результате распада выделения стали называться зонами Гинье — Престона. Серьезные исследования по проблеме механизмов упрочнения были проведены американским ученым Коттреллом в 1948 г. (механизм закрепления дислокации примесными атомами, которые образуют атмосферы Коттрелла), а также Холлом и Петчем в 1953 г. (зависимость между размером зерна и пределом текучести — зависимость Холла — Петча). Важные работы в области изучения проблемы хрупкости материалов были проведены в 1950—1960 гг. Гриффитсом и Ирвином. Они впервые установили размеры дефектов металла, при которых может происходить хрупкое разрушение материала. Академиком А. А. Бочваром (1902—1984) было открыто и детально изучено явление сверхпластичности. Он сумел установить корреляционную связь между температурой рекристаллизации металлов и их абсолютной температурой плавления (правило Бочвара). Значительный вклад в изучение проблемы прочности металлов внес И. А. Одинг (1896—1964). Основные его труды связаны с созданием новых методов испытаний механических свойств металлов и с изучением дислокационных механизмов упрочнения металлов и сплавов. Значительных результатов в изучении механических свойств металлов и в исследовании проблемы их прочности добился Н. Н. Давиденков (1879—1962). Им вскрыта суть процессов, протекающих в металлах при больших ударных скоростях нагружения, разработана теория хладноломкости металлов. Он разработал метод определения критической температуры перехода металла в хрупкое состояние (сериальные испытания), а также метод измерения остаточных напряжений и предложил способы их уменьшения. Широкие исследования металлических систем редких, тугоплавких, благородных и радиоактивных металлов были проведены Е. М. Савицким (1912—1984). Серьезных успехов он достиг при изучении сверхпроводящих материалов и сплавов с особыми физическими свойствами. Одним из первых он пытался решать задачу создания сплавов с заранее заданными свойствами. Больших достижений в области изучения алюминиевых и бериллиевых сплавов, а также композиционных материалов добился И. Н. Фридляндер. Под его руководством созданы алюминиевые сплавы с литием, обладающие уникальными свойствами. Серьезный вклад в изучение проблемы мартенситного превращения сделал Г. В. Курдюмов (1902—1996). Им выполнены 14
исследования по выявлению механизма мартенситного превращения, условий образования мартенсита, особенностей его кристаллической структуры. Он открыл явление термоупругого превращения при фазовых превращениях мартенситного типа (эффект Курдюмова), которое дало начало работам по разработке сплавов с памятью формы. А. С. Завьялов (1905—1985) впервые установил, что в перлитном интервале температур непосредственно из аустенита образуется не равновесный феррит, как в то время считали, а пересыщенная углеродом а фаза, которую Завьялов назвал в честь Д. К. Чернова — черновитом. Завьялов первым показал, что существует разновидность мартенсита, которая не имеет, как было принято считать, игольчатого строения. Эту структуру он назвал гар денитом. Неоспорим вклад в отечественную науку и в процесс формирования высококвалифицированных инженерных кадров А. П. Гуляева (1908—1998). Его глубокие исследования в области теории легирования стали, а также теории и практики ее термической обработки позволили решить ряд важных научных и практических проблем. Гуляев в течение длительного времени являлся главным редактором журнала "Металловедение и термообработка", а его неоднократно переизданный учебник "Металловедение" был лучшим учебником по металловедению на протяжении более 50 лет. Наука о металлах все ближе подходит к тому состоянию, когда можно будет с использованием компьютеров прогнозировать и рассчитывать с достаточной точностью свойства новых уникальных сталей и сплавов. Только научные разработки нового времени и появление соответствующих методов исследования с использованием новейших данных создали предпосылки для дальнейшего развития материала в строго научной систематике. Развитие материалов с самых давних времен охарактеризовано оптимизацией способов их обработки, особенно благодаря целенаправленному приспособлению материалов к очень высоким и разнообразным требованиям, как сегодня это происходит в производстве. Разработки материалов последних лет распространяются от массового производства, например, микролегированных сталей, высококачественных плакированных материалов, материалов с направленной кристаллизацией, с монокристаллической структурой, композитных конструкций до материалов микроэлектроники и точной механики, а также металлов, обладающих памятью. Связь между уровнем технологии обработки материала и создаваемой техникой в настоящее время стала еще более тесной. 15
Оптимальный материал для детали или установки стал составной частью конструкции. Таким образом, необходимо в полной мере обладать возможностями для приспособления и управления материалом, чтобы прийти к техническим решениям, соответствующим заданным требованиям. Развитие материалов включает наряду с развитием специальных сплавов также развитие и оптимизацию техники плавки и литья, а также технику процессов ковки и термообработки. Важным требованием для использования возможностей материала является высокая степень его чистоты. Так, из-за недостаточной степени чистоты материала его фактическое поведение в технологии производства может быть ниже технических возможностей. Теоретически идеальный материал должен обладать комплексом свойств. Он должен быть бесконечно прочным и жестким; невесомым; устойчивым против ползучести; свариваемым; абсолютно коррозионностойким, а также обладать рядом других полезных свойств, потребность в которых иногда возникает, например, радиационной стойкостью. Естественно, что таких материалов нет и мечту инженера о теоретически идеальном материале осуществить невозможно. Поэтому задачей конструктора является выбор материала с компромиссным набором свойств, а специалист в области материаловедения должен получить такую структуру материала, которая обеспечит подобный компромисс. Для обоснованного выбора конструктор должен иметь отчетливое представление о возможностях, которыми располагают современные материалы и технологии, а также верно оценивать перспективы использования новых материалов в машиностроении ближайшего будущего. Из многообразия свойств материалов основное внимание обычно уделяют прочности и жесткости, вязкости и пластичности, жаропрочности и хладостойкости, коррозионной стойкости, снижению массы конструкции и экономичности. Чтобы улучшить свойства выбранных материалов, необходимо знать методы, позволяющие управлять структурой материала.
Г л а в а 1 ОСНОВЫ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ 1.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Металлы и их сплавы повсеместно используются для конструкций машин, оборудования, инструмента и т. д. Несмотря на широкий круг искусственно созданных материалов, керамики, клеев, металлы служат основным конструкционным материалом и в обозримом будущем по-прежнему будут доминировать. В природе металлы встречаются как в чистом виде, так и в рудах, оксидах и солях. В чистом виде встречаются химически устойчивые элементы (Pt, Au, Ag, Hg, Cu). Масса наибольшего самородка меди составляет 420 т, серебра — 13,5 т, золота — 112 кг. Из 109 открытых элементов, представленных в периодической системе элементов Д. И. Менделеева, 22 являются неметаллами. Металлические материалы обычно делятся на две большие группы: железо и сплавы железа (сталь и чугун) называют черными металлами, а остальные металлы и их сплавы — цветными. Кроме того, все цветные металлы, применяемые в технике, в свою очередь, делятся на следующие группы: • легкие металлы Mg, Be, Al, Ti с плотностью до 5 г/см³; • тяжелые металлы Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Ta, Ir, Os с плотностью, превышающей 10 г/см³; • легкоплавкие металлы Sn, Pb, Zn с температурой плавления соответственно 232, 327, 410 °C; • тугоплавкие металлы W, Mo, Ta, Nb с температурой плавления существенно выше, чем у железа (> 1536 °C); • благородные металлы Au, Ag, Pt с высокой устойчивостью против коррозии; • урановые металлы, или актиноиды, используемые в атомной технике; • редкоземельные металлы (РЗМ) — лантаноиды, применяемые для модифицирования стали; • щелочные и щелочноземельные металлы Na, K, Li, Ca в свободном состоянии применяются в качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах; натрий также используется в качестве катализатора в производстве искусственного каучука, а литий — для легирования легких и прочных алюминиевых сплавов, применяемых в самолетостроении. 17
Свойства металлов разнообразны. Ртуть замерзает при температуре —38,8 °C, вольфрам выдерживает рабочую температуру до 2000 °C (ТПл = 3410 °C), литий, натрий, калий легче воды, а иридий и осмий в 42 раза тяжелее лития. Электропроводность серебра в 130 раз выше, чем у марганца. Вместе с тем металлы имеют характерные общие свойства. К ним относятся: • высокая пластичность; • высокие тепло- и электропроводность; • положительный температурный коэффициент электрического сопротивления, означающий рост сопротивления с повышением температуры, и сверхпроводимость многих металлов (около 30) при температурах, близких к абсолютному нулю; • хорошая отражательная способность (металлы непрозрачны и имеют характерный металлический блеск); • термоэлектронная эмиссия, т. е. способность к испусканию электронов при нагреве; • кристаллическое строение в твердом состоянии. Общее свойство металлов и сплавов — их кристаллическое строение, характеризующееся определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кри сталлической структуры используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространственной сеткой с ионами (атомами) в узлах. Атомно-кристаллическая структура может быть представлена изображением не ряда периодически повторяющихся объемов, а одной элементарной ячейкой. Так называется ячейка, повторяющаяся во всех трех измерениях. Рис. 1.1. Типы элементарных ячеек кристаллических решеток металлов и схемы упаковки в них атомов: а — А1 — гранецентрированная кубическая (ГЦК); • — А2 — объемно-центрированная кубическая (ОЦК); в — А3 — гексагональная плотно-упакованная (ГП) решетка 18
Доступ онлайн
В корзину