Текстовые фрагменты публикации
А.М. Адаскин, А.Н. Красновский
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ, НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Учебник
Рекомендовано Учебно-методическим Советом ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН» в качестве учебника для бакалавров и магистров, обучающихся по специальностям 15.00.00 «Машиностроение» и 22.00.00 «Технологии материалов»
МОСКВА
2017
УДК 620.2
ББК 30.3
А31
Рецензенты:
Ю.Ф. Работников — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой горного оборудования, транспорта и машиностроения НИТУ «МИСиС»;
Л.Г. Алехин — кандидат технических наук, доцент кафедры технической механики МТУ «МИРЭА»
Адаскин А.М., Красновский А.Н.
А31 Материаловедение и технология металлических, неметаллических и композиционных материалов: учебник / А.М. Адаскин, А.Н. Красновский. — М. : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2017. — 40о с., ил. — (Высшее образование).
ISBN 978-5-00091-401-4 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-011860-4 (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.
Учебник предназначен для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям 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.
znanium.com
Соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту 3-го поколения
УДК 620.2
ББК 30.3
ISBN 978-5-00091-401-4 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-011860-4 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104328-8 (ИНФРА-М, online)
© Адаскин А.М., Красновский А.Н., 2016
© Издательство «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
5
Глава 10. Диаграмма состояния железо — цементит. Сплавы железа и углерода.130
10.1. Диаграмма состояния Fe — Fe₃C.....................................130
10.2. Структура сплавов системы Fe — Fe₃C...............................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
7
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 материалов.
Материалы дали названия целым историческим эпохам — каменный век, бронзовый век, железный век.
На ранней стадии развития человечества использовались природные материалы — 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 материалов. 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 использование 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), который, 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 полиморфных превращений, И.Н. Фридляндер разработал сплавы цветных металлов, упрочняемые дисперсионным твердением.
В XX 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.
XX в. характеризуется разработкой и промышленным использованием большого 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 совершенствования конструкций самого разнообразного назначения — от медицины до космоса.
Для развития техники требуются материалы с новыми уникальными свойствами. 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
11
свойствами. Таким образом, материаловедение — одна из важнейших, приоритетных наук, определяющих технический прогресс.
Технология материалов. На ранних этапах развития технологий изделия производились 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, посвященных обработке материалов, проведенных И.А. Тиме, итог которых описан в его книге «Сопротивление металлов и дерева резанию».
Повышение производительности обработки резанием было важнейшей задачей, 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 материалов 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 использования 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 проследить на некоторых прорывных технологиях.
Металлургия освоила производство сверхчистых сплавов, необходимых для электронной промышленности, космической отрасли.
Промышленное производство твердых сплавов и керамики стало возможным только в результате разработки порошковой технологии производства материалов.
Производство синтетических алмазов и нитрида бора не могло быть реализовано без мощного технологического прорыва — создания технологий высокого давления.
Создание материалов с памятью формы решило проблему надежных соединений трубопроводов, позволило создать самораскрывающиеся антенны космических аппаратов.
Материалы с высокими значениями удельной прочности и жесткости востребованы авиационной и космической промышленностью.
Таким образом, материаловедение и технология получения и обработки материалов 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 применению материалов в промышленности.
В третьей части рассмотрены формообразующие технологии, т.е. изготовление заготовок и деталей из металлических, неметаллических и композиционных материалов.
Учебник предназначен для бакалавров и магистров высших учебных заведений, 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 вещества 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-дер-Ваальса.
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; отрицательный 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.
2,81А
Рис. 1.1. Кристаллическая решетка NaCl
Наиболее известный и широко распространенный материал с ионным типом связи — стекло, основой которого являются оксиды различных элементов.
Ковалентная связь устанавливается в результате 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
Рис. 1.2. Молекула хлора (схема)
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, германий, 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 Ван-дер-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 коллективизм-
Глава 1. Типы межатомных связей и их влияние на свойства материалов
15
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 определяет такие важнейшие свойства ме
Рис. 1.3. Силы Ван-дер-Вальса. Взаимодействие диполей
талла, как высокие тепло- и электропроводность, пластичность, т.е. способность изменять форму без разрушения. Поэтому при изготовлении металлопродукции широко применяют методы пластического деформирования — ковку, прокат, во-
лочение.
Силы Ван-дер-Ваальса возникают вследствие того, что атомы являются малыми 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, наряду 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 кристаллическое, 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
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 строение 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
Рис. 1.4. Кристаллографическая плоскость (схема)
Кристаллическое строение имеют наиболее распространенные конструкционные 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 плоскости 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 следующими 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 расстояния 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. 1.5. Пространственная кристаллографическая решетка (схема)
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
