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
500 ₽
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
500 ₽
В корзину