Материаловедение

Серия
«Среднее профессиональное образование»

РостовнаДону
«ФЕНИКС»
2015

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Г. А. ДВОЕГЛАЗОВ

Рекомендовано
Международным научным общественным объединением «МАИТ»
в качестве учебника для использования в учебном процессе
образовательных учреждений, реализующих программы СПО
по направлениям Технология машиностроения,
Техническое обслуживание и ремонт автомобильного
транспорта, Механизация сельского хозяйства

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

   Материаловедение : учебник / Г. А. Двоеглазов. — Ростов н/Д :
Феникс, 2015. — 445 с. — (Среднее профессиональное  образование).

© Двоеглазов Г. А., 2015
© Оформление: ООО «Феникс», 2015

УДК 620.22(075.32)
ББК 30.3я723
КТК 204

Д24

Д24

УДК 620.22(075.32)
ББК 30.3я723

Двоеглазов Г. А.

Рецензенты:
   Лаврентьев В. А.  — доктор технических наук, профессор, ректор Сочинского морского института;
Габуния Т. К. — кандидат технических наук, доцент, директор НИИ
Техникотехнологических инноваций при Международном инновационном университете (г. Сочи).

В учебнике рассмотрены основы материаловедения сплавов
металлов, полимеров, композиционных и наноматериалов; методы направленного формирования свойств материалов. Описаны
материалы, наиболее распространенные отечественные и их зарубежные аналоги. Рассмотрены вопросы выбора материалов и
режимов упрочнения для типовых деталей машин и механизмов.
Справочнотерминологический характер учебника с подробным изложением наиболее сложных вопросов поможет читателям
с различным уровнем подготовки усвоить базовый общепрофессиональный курс дисциплины «Материаловедение», который по
содержанию и объему соответствует программам Федеральных
государственных образовательных стандартов среднего образования по машиностроению, транспорту, сельскому хозяйству.
Материалы книги могут быть использованы инженерными и
научными работниками предприятий машиностроения, водного и
наземного транспорта, учащимися производственнотехнических
училищ и курсов повышения квалификации.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ ........................................................................................................ 11

ГЛАВА 1.
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ СВОЙСТВА .................. 13
1. Классификация конструкционных материалов ............................ 13
2. Классификация свойств материалов. .................................................. 14
3. Свойства материалов на этапе проектирования .......................... 15
3.1. Физические свойства .......................................................................... 15
3.2. Химические свойства .......................................................................... 17
3.3. Механические свойства...................................................................... 17
3.3.1. Свойства материалов при растяжении ........................ 17
3.3.2. Твердость материалов.............................................................. 21
4. Свойства материалов на этапе оценки влияния
эксплуатационных факторов..................................................................... 24
4.1. Надежность ................................................................................................. 24
4.2. Долговечность ........................................................................................... 27
4.2.1. Выносливость. ............................................................................... 27
4.2.2. Длительная прочность и ползучесть ............................... 30
5. Свойства материалов на этапе изготовления ................................. 32
6. Материалоемкость продукции .................................................................. 34
Вопросы и задания по материалам гл. 1 .................................................. 35
Список литературы и стандартов ................................................................. 36

ГЛАВА 2.
ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ............ 37
1. Строение, структура и химический состав......................................... 37
2. Методы исследования строения и структуры .................................. 39
3. Атомнокристаллическое строение металлов .................................. 39
4. Строение реальных металлов..................................................................... 43
5. Структура деформированного металла. Наклеп ............................. 48
6. Структура литого металла ............................................................................. 50
Вопросы и задания по материалам гл. 2 .................................................. 57
Список литературы и стандартов ................................................................. 57

ГЛАВА 3.
ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ ..................................................... 58
1. Введение в теорию сплавов ........................................................................ 58

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

2. Диаграммы состояния..................................................................................... 60
3. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов ................. 66
Вопросы и задания по материалам гл. 3 .................................................. 75
Список литературы и стандартов ................................................................. 75

ГЛАВА 4.
МЕТОДЫ НАПРАВЛЕННОГО ФОРМИРОВАНИЯ
СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ .................................................................................... 76
1. Легирование сплавов ..................................................................................... 76
2. Термическая обработка ................................................................................. 77
2.1. Отжиг .............................................................................................................. 80
2.1.1. Отжиг I рода .................................................................................... 82
2.1.2. Отжиг II рода .................................................................................. 84
2.2. Закалка......................................................................................................... 88
2.2.1. Теоретические основы закалки ......................................... 90
2.2.2. Технологические основы закалки сталей
      и чугунов .......................................................................................... 96
2.3. Отпуск..........................................................................................................101
2.4. Старение ....................................................................................................105
3. Поверхностное упрочнение металлов ................................................107
3.1. Поверхностная закалка...................................................................108
3.2. Поверхностное пластическое деформирование ..............111
3.3. Методы изменения химического состава
  поверхности металлов .....................................................................114
3.3.1. Цементация ..................................................................................116
3.3.2. Азотирование .............................................................................118
3.3.3. Цианирование и нитроцементация .............................119
3.3.4. Сульфидирование и сульфоцианирование ...........120
3.3.5. Борирование ...............................................................................121
3.4. Диффузионная металлизация ....................................................122
4. Комбинированные методы упрочнения............................................124
Вопросы и задания по материалам гл. 4 ...............................................125
Список литературы и стандартов ..............................................................126

ГЛАВА 5.
КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ ......................................................................127
1. Основы металлургического производства стали и чугуна ...127
2. Легирование стали ........................................................................................135

ОГЛАВЛЕНИЕ

3. Машиностроительные стали....................................................................137
3.1. Углеродистые стали обыкновенного качества ...................137
3.2. Углеродистые качественные конструкционные стали ..139
3.3. Стали низколегированные конструкционные ..................140
3.4. Стали свариваемые для судостроения ..................................141
3.5. Теплоустойчивые стали ...................................................................143
3.6. Легированные конструкционные стали ................................144
3.7. Высоколегированные стали и сплавы...................................147
3.8. Стали конструкционные повышенной и высокой
  обрабатываемости резанием (автоматные стали) .........152
3.9. Стали подшипниковые ....................................................................154
3.10. Стали рессорнопружинные.......................................................155
3.11. Стали хладостойкие .......................................................................155
3.12. Стали износостойкие.....................................................................157
Вопросы и задания по материалам гл. 5 ...............................................158
Список литературы и стандартов ..............................................................159

ГЛАВА 6.
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ ЧУГУНЫ .......................................................161
1. Серые чугуны ......................................................................................................165
2. Ковкие чугуны ...................................................................................................166
3. Высокопрочные чугуны................................................................................168
4. Чугуны с вермикулярным графитом....................................................169
5. Легированные чугуны...................................................................................170
6. Термическая обработка чугунов ............................................................174
Вопросы и задания по материалам гл. 6 ...............................................176
Список литературы и стандартов ..............................................................177

ГЛАВА 7.
АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ ......................................................................178
1. Основные виды алюминиевых сплавов ..........................................179
2. Литейные алюминиевые сплавы ..........................................................185
Вопросы и задания по материалам гл. 7 ...............................................191
Список литературы и стандартов ..............................................................191

ГЛАВА 8.
МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ ...........................................................................................193
Вопросы и задания по материалам гл. 8 ...............................................201
Список литературы и стандартов ..............................................................201

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 9.
СПЛАВЫ ТИТАНА .................................................................................................203
1. Способы упрочнения и классификация
титановых сплавов ........................................................................................204
2. Литейные титановые сплавы...................................................................206
3. Недостатки титановых сплавов .............................................................207
Вопросы и задания по материалам гл. 9 ...............................................207
Список литературы и стандартов ..............................................................208

ГЛАВА 10.
ПОЛИМЕРЫ .............................................................................................................209
1. Основы теорий полимеров .......................................................................209
2. Конструкционные термопласты .............................................................215
2.1. Конструкционные термопласты общего назначения.....216
2.1.1. Полиолефины .............................................................................216
2.1.2. Этролы .............................................................................................219
2.1.3. Фторопласты................................................................................220
2.1.4. Поливинилхлориды ...............................................................221
2.1.5. Полиакрилаты ...........................................................................222
2.2. Конструкционные термопласты средней прочности .....223
2.2.1. Полистиролы ..............................................................................223
2.2.2. Поликарбонаты .........................................................................226
2.2.3. Полиэтилентетрафталаты (ПЭТФ) ..................................228
2.2.4. Полибутилентерефталаты ( ПБТ) ....................................228
2.3. Конструкционные термопласты высокой прочности ....230
2.3.1. Полиамиды ..................................................................................230
2.3.2. Полиимиды ..................................................................................233
2.3.3. Полиацетали ...............................................................................233
2.3.4. Полисульфоны ...........................................................................235
2.4. Перспективные термопласты .......................................................235
3. Конструкционные реактопласты ...........................................................238
3.1. Реактопласты широкого применения .....................................238
3.1.1. Фенолформальдегидные смолы .....................................238
3.1.2. Полиэфирные смолы .............................................................241
3.1.3. Мочевиноформальдегидные смолы
     (карбамидные смолы) ...........................................................241
3.1.4. Эпоксидные смолы ..................................................................241
3.2. Реактопласты специального применения ............................242

ОГЛАВЛЕНИЕ

3.3. Перспективные реактопласты .....................................................243
4. Эластомеры .........................................................................................................243
4.1. Каучуки ......................................................................................................244
4.2. Резины и резинотехнические изделия ..................................246
Вопросы и задания по материалам гл. 10............................................249
Список литературы и стандартов ..............................................................250

ГЛАВА 11.
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ........................................................252
1. Введение в теорию композиционных материалов....................253
1.1. Виды и структуры композиционных материалов
  (КМ) ..............................................................................................................253
1.2. Признаки композиционного материала ..............................255
1.3. Взаимодействие матрицы и наполнителя...........................255
1.4. Наполнители...........................................................................................256
1.5. Технологические составляющие................................................261
2. Полимерные композиционные материалы (ПКМ) .....................263
2.1. Изотропные ПКМ..................................................................................264
2.2. Анизотропные ПКМ ............................................................................267
2.3. Высокопрочные  ПКМ........................................................................268
2.4. Газонаполненные композиционные материалы..............273
3. Металлические композиционные материалы (МКМ) ...............275
3.1. Дисперсноупрочненные МКМ......................................................275
3.2. Волокнистые МКМ ...............................................................................278
3.3. Эвтектические композиционные материалы ....................279
4. Керамические композиционные материалы (ККМ) ..................282
4.1. Матрица ККМ ..........................................................................................283
4.2. Взаимодействие матрицы и наполнителя в ККМ ...........284
4.3. Особенности изготовления изделий из ККМ ....................285
Вопросы и задания по материалам гл. 11............................................287
Список литературы и стандартов ..............................................................288

ГЛАВА 12.
АНТИФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ .....................................................289
1. Некоторые сведения из теории трения ............................................290
2. Свойства антифрикционных материалов ......................................292
3. Баббиты.................................................................................................................296
4. Бронзы антифрикционные .......................................................................301

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

5. Латуни антифрикционные ........................................................................303
6. Алюминиевые подшипниковые сплавы ..........................................304
7. Антифрикционные сплавы на основе железа ..............................307
8. Многослойные подшипниковые вкладыши ..................................310
9. Антифрикционные неметаллические материалы ......................310
10. Дерево и реактопласты ............................................................................317
11. Композиционные антифрикционные материалы ...................320
Вопросы и задания по материалам гл. 12............................................323
Список литературы и стандартов ..............................................................323

ГЛАВА 13.
НАНОМАТЕРИАЛЫ..............................................................................................326
1. Основные термины и определения ......................................................327
2. Наноструктуры углерода .............................................................................328
3. Наноматериалы................................................................................................331
4. Нанотехнологии ...............................................................................................334
Вопросы и задания по материалам гл. 13............................................336
Список литературы и стандартов ..............................................................337

ГЛАВА 14.
МАТЕРИАЛЫ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ .......................338
1. Материалы дизелей.......................................................................................338
1.1. Материалы остова ...............................................................................338
1.2. Материалы цилиндров.....................................................................339
1.2.1. Условия работы цилиндров ..............................................340
1.2.2. Требования к материалам цилиндров .......................342
1.2.3. Материал блоков цилиндров ...........................................342
1.2.4. Материалы цилиндровых втулок...................................342
1.2.4.1. Применение чугунов....................................................343
1.2.4.2. Применение сталей......................................................345
1.2.4.3. Применение алюминиевых сплавов ................345
1.2.4.4. Способы защиты цилиндровых втулок
        дизелей от кавитационноэрозионного
              разрушения .......................................................................347
1.3. Материалы поршней..........................................................................348
1.3.1. Поршни из чугунов ..................................................................351
1.3.2. Поршни из алюминиевых сплавов ..............................352
1.3.3. Биметаллические поршни ..................................................352

ОГЛАВЛЕНИЕ

1.3.4. Комбинированный облегченный поршень..............353
1.4. Материалы коленчатых валов.....................................................353
1.5. Материалы шатунов ...........................................................................357
1.5.1. Тронковый шатун .....................................................................357
1.5.2. Крейцкопфный кривошипный шатунный
     механизм........................................................................................360
1.5.3. Шатуны Vобразных дизелей............................................360
1.6. Материалы поршневых пальцев ................................................362
1.7. Материалы цилиндровых крышек ...........................................364
1.8. Стали для клапанов ...........................................................................365
1.9. Седла клапанов ....................................................................................371
1.10. Материалы распределительных валов...............................372
1.11. Стали для презиционных деталей дизелей .....................374
1.11.1. Материалы и термическая обработка
       корпуса распылителя..........................................................375
1.11.2. Термическая обработка иглы распылителя .........376
1.11.3. Материал и термическая
       обработка плунжерной пары .........................................377
1.11.4. Нагнетательный клапан и его седло .........................378
1.12. Материалы анкерных связей и соединительных
    деталей ....................................................................................................378
1.13. Материалы зубчатых колес ........................................................379
1.13.1. Условия работы ......................................................................380
1.13.2. Требования к материалам и режимам
        обработки..................................................................................380
1.13.3. Материалы зубчатых колес и режимы
       обработки ...................................................................................381
2. Материалы турбин ..........................................................................................382
2.1. Материалы роторов............................................................................383
2.1.1. Материалы валов .....................................................................384
2.1.2. Материалы дисков ..................................................................384
2.1.3. Материалы лопаток ................................................................385
2.2. Материалы диафрагм .......................................................................387
2.3. Материалы цилиндров (корпусов) турбин ..........................387
3. Материалы котлов и сосудов высокого давления ....................388
4. Материалы теплообменных аппаратов .............................................390
5. Материалы судового оснащения...........................................................391
5.1. Материалы судовых валов ............................................................391

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

5.2. Материалы якорей и якорных цепей......................................393
5.3. Материалы гребных винтов ..........................................................395
5.4. Материалы насосов............................................................................395
6. Материалы холодильных установок ..................................................397
6.1. Материалы хладоновых герметичных компрессоров ...399
6.2. Материалы роторных компрессоров. ......................................400
6.3. Материалы лопастных компрессоров
  и вентиляторов .....................................................................................403
7. Материалы поршневых колец .................................................................408
7.1. Анализ условий эксплуатации ...................................................413
7.2. Требования к материалам поршневых колец....................414
7.3. Материалы поршневых колец......................................................414
7.4. Особенности технологии изготовления поршневых
  колец ...........................................................................................................417
Вопросы и задания по материалам гл. 14............................................419
Список литературы и стандартов ..............................................................421

ГЛАВА 15.
ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ И РЕЖИМОВ
УПРОЧНЕНИЯ ........................................................................................................423
1. План работы и последовательность его выполнения..............423
2. Пример выполнения задания .................................................................431
Список литературы и стандартов ..............................................................434

Список использованной литературы .....................................................435

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Еще в восьмом тысячелетии до новой эры было замечено, что
если обжечь горшок из сырой глины на огне, он становится прочнее: в нем можно, например, хранить жидкости, и он не деформируется, даже если его поставить на горящие угли. Таким образом, мягкая, легко поддающаяся обработке глина превращается
в прочный и твердый материал. Это первое намеренное превращение неорганического вещества природного происхождения в
новый материал с другими эксплуатационными свойствами ознаменовало зарождение материаловедения.
Материаловедение — это междисциплинарный раздел науки по
изучению взаимосвязей между химическим составом, внутренним
строением, свойствами и эксплуатационными характеристиками металлов и сплавов в зависимости от методов обработки и
эксплуатации.
Теоретической основой материаловедения являются соответствующие разделы физики и химии, однако наука о материалах
развивается в основном экспериментальным путем. Исследование структуры и свойств материалов приводит к созданию принципиально новых технологий, таких как нанотехнологии по созданию и применению материалов размерами порядка нескольких нанометров.
Большой вклад в развитие науки о материалах внес П. П. Аносов, открывший секреты булатной стали и впервые применивший микроскоп для исследования структуры стали. Создание научных основ материаловедения по праву принадлежит
Д. К. Чернову, который разработал основы термической обработки сталей. Огромное влияние на изучение металлов имело
открытие периодического закона Д. И. Менделеевым. Большое
значение для развития металловедения имеют труды Н. С. Курнакова, А. М. Бочвара, А. А. Байкова, С. С. Штейнберга, Н. Г. Гудцова, Г. В. Курдюмова и многих других ученых нашей страны.
Среди зарубежных ученых большой вклад в развитие металловедения внесли А. Ле Шателье и Ф. Осмонд (Франция), Р. Аустен, У. Г. Брэгг и У. Л. Брэгг (Англия), М. Лауэ и П. Дебай (Германия), Э. Бейн и Р. Мейл (США).

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Важное значение в промышленности имеет применение неметаллических конструкционных материалов — пластмасс, керамики, композиционных материалов и др. Это позволяет экономить дефицитные и дорогие металлы со значительным снижением
массы изделий. Создателем структурной теории химического строения органических соединений является А. М. Бутлеров. Промышленное производство первых пластмасс (фенопластов) начато по
результатам работ, проведенных Г. С. Петровым. Впервые в мире
С. В. Лебедевым осуществлен промышленный синтез каучука.
Теория цепных реакций и механизмы цепной полимеризации
разработаны Н. Н. Семеновым. Успешное развитие высокопрочных композиционных материалов связано с именами видных
ученых: Н.С. Ениколопяна, В. П. Макеева, Ю. С. Уржумцева,
В. Д. Протасова и др.
Большой вклад в области полимерных материалов внесен зарубежными учеными: К. Циглером (Германия), Д. Наттом (Италия) и др.
В учебнике рассмотрены основы материаловедения сплавов
металлов, полимеров, композиционных и наноматериалов. Разобраны методы направленного формирования свойств материалов. Описаны материалы, наиболее применяемые в народном
хозяйстве, и их зарубежные аналоги. Рассмотрены вопросы выбора материалов и режимов упрочнения для типовых деталей
машин и механизмов.
В подготовке учебника большую помощь и поддержку автору
оказала кафедра «Технологии материалов и судоремонта» Балтийской государственной морской академии в г. Калининграде
и кафедра «Техническая эксплуатации автомобилей» Сочинского морского института.

Глава 1. Конструкционные материалы и их свойства

1. Классификация конструкционных
материалов

Конструкционные материалы — это материалы, применяемые
для изготовления деталей и конструкций, воспринимающих силовую нагрузку. Например, такими материалами для автомобилей
являются материалы трансмиссии, двигателей, кузова и несущих
конструкций.
Конструкционные материалы машин и механизмов подразделяются на металлические, неметаллические и композиционные.
Металлические конструкционные материалы — это сплавы на
основе металлов — простых веществ, обладающих теплои электропроводностью, прочностью, пластичностью, блеском и другими характерными свойствами, которые обусловлены наличием в их
кристаллических решетках большого числа свободно перемещающихся электронов. Этими свойствами обладают около 80 химических элементов и множество металлических сплавов. Классификация металлов и сплавов приведена в таблицах 1.1, 1.2.

Таблица 1.1
Классификация металлов

1

ГЛАВА

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И ИХ СВОЙСТВА

14
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Неметаллические материалы — это материалы, не обладающие свойствами металлов, как правило, на основе неметаллов —
веществ, имеющих полимерное строение. К неметаллам принято
относить углерод, кремний, бор и др. элементы, а также материалы на их основе. Для неметаллов характерна низкая плотность,
которая для органических (пластмасс, резин) неметаллов примерно вдвое меньше плотности алюминиевых сплавов, хорошие
теплои электроизоляционные свойства. Из полимеров изготавливается посуда, детали автомобилей, элементы строительных конструкции, трубопроводы и многое другое.

Таблица 1.2
Классификация конструкционных металлических сплавов

Композиционные материалы — это материалы, образованные
объемным сочетанием химически разнородных элементов с четкой
границей раздела между ними. Значительная часть современных
конструкционных материалов являются композиционными.
Они характеризуются свойствами, которыми не обладает ни один
из элементов, взятый в отдельности и широко применяются в
автостроении, аэрокосмической технике и других отраслях народного хозяйства.

2. Классификация свойств материалов

Свойства материалов — это характерные реакции материалов
на внешнее воздействие. Классификация свойств, характеризующих материалы на различных этапах применения, приведены в
табл.1.3.

15
Глава 1. Конструкционные материалы и их свойства

Таблица 1.3
Классификация свойств материалов

Например, физические свойства — это показатели реакции
материала на физические воздействия. В качестве примера приведем коэффициент температурного расширения — реакция материала на действие температуры. Механические свойства — это
показатели реакции материала на действие механических нагрузок.

3. Свойства материалов на этапе проектирования

3.1. Физические свойства

 Физические свойства – это свойства, к которым относят
цвет, плотность, температуру плавления, тепловое расширение,
теплопроводность.
Цвет — это свойство тел вызывать определенное зрительное
ощущение в соответствии со спектральным составом и интенсивностью отражаемого или испускаемого ими видимого излучения. Основные качества цвета — цветовой тон, насыщенность
и светлота. Цвет металлов определяют в изломе или после обработки. Например, медь имеет розовокрасный цвет, алюминий — серебристобелый.
Плотность — это отношение массы dm малого элемента тела
объемом dV к этому объему ρ = dm / dV. Плотность однородного
тела одинакова во всех точках и равна: ρ = m / V. Единица плотности (в СИ) — кг/м3.
По плотности все металлы делятся на легкие и тяжелые. Обычно легкими называют металлы, плотность которых не превышает 5 т/м3. Из металлов, широко применяемых в технике, наименьшую плотность имеют магний (1,74) и алюминий (2,68).

16
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Наряду с плотностью в настоящее время при расчетах применяют также удельный вес.
Удельный вес — это величина γ, равная отношению силы тяжести dP малого элемента тела объемом dV к этому объему:
γ = dP/dV. Удельный вес связан с плотностью вещества ρ соотношением: γ = ρg, где g — ускорение свободного падения. Единица
удельного веса (в СИ) — Н/м3.
Температура плавления — это постоянная температура, при
которой начинается и происходит процесс перехода вещества из
кристаллической фазы в жидкую с одновременным существованием твердого и жидкого состоянии. Температура плавления имеет
большое значение при выборе металлов для изготовления отливок, паяных и сварных соединений, элементов ламп накаливания и электрических печей, и других изделий.
Тепловое расширение — это изменение размеров тела в процессе его изобарического нагревания (при постоянном давлении), характеризуемое температурным коэффициентом объемного расширения γ  или температурным коэффициентом линейного расширения α. Коэффициент γ  равен отношению относительного изменения объема тела при его изобарическом нагревании к
приращению температуры:
γ = (1 / V) ( dV / dT )P,
где V — объем, Т — термодинамическая температура, р — давление.
Тепловое расширение учитывают при конструировании машин и механизмов. Например, в клапанных механизмах, в цилиндропоршневой группе и других узлах ДВС предусматривают тепловые зазоры, которые выбираются при их нагреве.
Теплопроводность — это величина, характеризующая теплопроводящие свойства материалов. Обозначается — λ. Величина
λ зависит от химической природы среды и ее состояния. Единица λ (в СИ) — Вт/(м×К). Применяется для расчета теплоизоляционных свойств защитных материалов при конструировании
котлов, пароперегревателей, холодильных камер и т. д.

Глава 1. Конструкционные материалы и их свойства

3.2. Химические свойства

Химические свойства — это способность металлов и сплавов,
зависящая от химического состава, сопротивляться окислению или
вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, углекислотой, влагой, щелочами и др. Чем лучше металл вступает в соединения с другими веществами, тем легче он разрушается. Химическое разрушение металлов под действием окружающей среды называется коррозией. Коррозионная стойкость металла оценивается по скорости проникновения коррозии на
допустимую глубину — по уменьшению толщины металла с учетом влияния среды, температуры и длительности испытании, выраженному в линейных единицах, к единице времени (мм/год).
Коррозии подвергаются почти все металлы. Например, железо
на воздухе ржавеет, медь покрывается зеленым слоем окиси, алюминий — белым слоем окиси  и т. д. Металлы, не поддающиеся
коррозии, называют благородными. К ним относятся золото и
платина. Они разрушаются только в смеси соляной и азотной
кислот, называемой «царской водкой». Высокой коррозионной
стойкостью обладают также хром, никель и их сплавы, а титан и
его сплавы по коррозионной стойкости приближаются к благородным металлам.

3.3. Механические свойства

Механические свойства — это свойства, характеризующие
способность материалов сопротивляться воздействию внешних сил.
В инженерных расчетах применяют механические свойства, полученные при различных видах испытаний образцов материалов. Испытания на растяжение являются основным видом определения механических свойств.

3.3.1. Свойства материалов при растяжении

При испытаниях на растяжение определяют: физический
σТ или условный σ0,2 пределы текучести в МПа; предел прочности (временное сопротивление) σВ в МПа; и пластические свойства — относительное удлинение δ и относительное сужение y
материала образца после его разрушения в %.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Для этого применяют стандартные образцы, изображение
которых приведено на рисунке 1.1. Утолщенные части — головки образцов предназначены для крепления образцов в захватах
испытательной машины. Рабочей частью является средняя часть.
На ней перед началом испытаний наносят метки, ограничивающие границы расчетной длины образца l0 и определяют начальное сечение F0 образца. Длина расчетной части l0 должна
отвечать условиям l0 = 5,65F0 или l0 = 11,3F0. Такие образцы называют пятикратными или десятикратными. Наибольшее применение получили пятикратные образцы как менее материалоемкие.
Равномерное распределение напряжений в рабочей части
образца обеспечивается участками плавного перехода к головкам образца.

d0

d1

d 2

l 0
l
l1

h1
h
h1
h

h1
h
l 0
l

a
R

b

b

Рис. 1.1. Образцы для испытания на растяжение

=

Испытания проводятся на специальных испытательных машинах. При испытаниях автоматически регистрируется диаграмма деформирования в координатах «Нагрузка (Р) — удлинение
образца (∆l)», примеры которых приведены на рисунке 1.2, или
«Напряжение (σ) — деформация (ε) образца». Внешний вид диаграмм не меняется, так как λ = P/F0 в МПа, а ε = (∆l/l0)×100
в %х, где ∆l = (lТ — l0), а lТ — изменяющаяся текущая длина
образца в процессе испытания.
Диаграмма деформирования — это графическое изображение
зависимости между напряжениями (или нагрузками) и деформациями материала (или удлинением образца). Каждому виду нагружения присуща своя диаграмма деформирования, поэтому различают диаграммы растяжения, сжатия, кручения и т. д. По диаграммам определяют модуль упругости и рассчитывают характеристики сопротивления материалов деформированию и
разрушению (характеристики прочности и пластичности материалов), а также работу деформирования и разрушения образца.

Глава 1. Конструкционные материалы и их свойства

Рис. 1.2. Диаграммы растяжения:
1 — чугуна; 2 — меди; 3 — низкоуглеродистой стали;
4 — холоднотянутой стали; 5 — бронзы; 6 — стали по п. 3 после
отжига — начальный участок; 7 — бронзы по п. 5 — начальный участок

Pmax4

Pmax1

PT

P

∆l
1
2 3 4
5

1
3
2

4
5

∆lост
∆lуп

Предел прочности (временное сопротивление) — это максимальное напряжение, предшествующее разрыву образца, получаемое в результате деления максимальной нагрузки на начальное сечение образца

σВ=Рmax / F0 , МПа.

Для определения σВ достаточно зафиксировать максимальную нагрузку. Деформацию образца можно не регистрировать.
На рисунке 1.2 эта нагрузка отмечена для кривых 1, 4.

P

∆l

P

∆l

PТВ

PТН
Py

Py

a

a

b
c

P0,2

εy
εy

0,2% от l0

6

7

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Предел текучести — это напряжение, отвечающее нижнему
положению площадки текучести в диаграмме растяжения, для
материалов, имеющих таковую площадку (см. рис. 1.2, кривая 3).
Некоторые материалы, например низкоуглеродистые стали после отжига имеют диаграмму с так называемым зубом текучести
(см. рис. 1.2, кривая 6). Для металлов с такой диаграммой определяют верхний — σТВ и нижний — σТН пределы текучести.
Некоторые материалы имеют диаграмму, у которых упругий
участок плавно переходит в криволинейный участок возрастания и спадания с максимумом в точке, соответствующей пределу прочности σВ (см. рис. 1.2, кривые 2, 4, 5, 7). Для этих материалов принимают условный предел текучести.
Условный предел текучести — это напряжение, при котором
остаточная деформация образца достигает определенного значения, установленного техническими условиями. Величина εост может быть задана 0,1; 0,5; 1% или принимать любое другое значение. Если допуск на остаточную деформацию не оговорен, то
подразумевается 0,2%. Тогда условный предел текучести обозначается σ0,2. Определяют предел текучести по диаграмме деформации. Схема определения приведена на рисунке 1.2, кривая 7.
Предел текучести является основной характеристикой при оценке прочности пластичных материалов. По его величине устанавливают границу между упругой и упругопластической зонами
деформирования.
Пластичность — это свойство твердых тел необратимо деформироваться под действием механических нагрузок и приобретать
остаточные деформации. Показателями пластичности являются
относительное удлинение δ в % и относительное сужение ψ
в %, определяемые после разрыва образца.
Относительное удлинение — это остаточная деформация образца после его разрушения. На рисунке 1.2 кривая 5 иллюстрирует
смысл остаточного удлинения. Для его определения две части разорванного образца состыковывают вместе, измеряют конечную
длину и определяют ее приращение ∆l и остаточное удлинение δ.

δ = (∆l / l0) ⋅ 100 %.

Относительное сужение — это отношение величины изменения
площади поперечного сечения образца в месте разрушения — шейке
образца — к площади его начального сечения:

Глава 1. Конструкционные материалы и их свойства

ψ = (∆F/F0) ⋅ 100%.

На рисунке 1.3 изображена шейка образца.

Рис. 1.3. Шейка образца

3.3.2. Твердость материалов

Твердость материалов — это сопротивление материала местной пластической деформации при вдавливании в него индентора —
твердого тела стандартных форм и размеров. Испытание на твердость является простым и массовым методом контроля качества
материалов. Применяемые в технике методы измерения твердости приведены в табл.1.4. Наибольшее распространение при контроле качества термической обработки получили методы Бринелля и Роквелла.
Твердость по методу Бринелля — это среднее напряжение пластической деформации сжатия при внедрении индентора в форме
закаленного шарика, измеренное по площади сферического отпечатка. Метод назван по имени шведского инженера Ю. А. Бринелля (J. F. Brinell; 1849–1925). Испытания проводят на настольных рычажных твердомерах типа ТШ. Схема вдавливания шарика приведена на рисунке 1.4. Диаметр отпечатка измеряют с помощью оптических измерительных микроскопов (рис. 1.5).

Рис. 1.4. Схема измерения НВ

d

D

P

Рис. 1.5. Схема измерения
отпечатка

d1

d2