Материаловедение и технологии конструкционных материалов

Ш

СИБИРСКИЙ ФВДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

SIBERIflfl FEDERAL UfllVERSITY 

Рассмотрены тенденции и направления развития современного теоретического и прикладного 

материаловедения, 
закономерности 
формирования 

структуры и свойств материалов при различных видах 

воздействия и технологии получения. Изложены механизмы фазовых и структурных превращений в зависимости от условий термической и механической 

обработок. Приведены современные материалы и технологии, применяемые при получении изделий теплоэнергетического комплекса. 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИИ 

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 

Учебное 
пособие 

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ  И  НАУКИ  РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ 

СИБИРСКИЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИИ 
КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 

Рекомендовано УМО РАЕ по классическому университетскому 
и техническому образованию в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению подготовки 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», 23.06.2015 

Красноярск 
СФУ 
2015 

 

Материаловедение и технологии конструкционных материалов 

УДК 620.22(07) 
ББК  30.3я73 
М341 

М341 
Материаловедение и технологии конструкционных материалов / 
О. А. Масанский, В. С. Казаков, А. М. Токмин, Л. А. Свечникова, 
Е. А. Астафьева. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2015. – 268 с. 

ISBN 978-5-7638-3322-5 

Рассмотрены тенденции и направления развития современного теоретического и прикладного материаловедения, закономерности формирования 
структуры и свойств материалов при различных видах воздействия и технологии получения. Изложены механизмы фазовых и структурных превращений в зависимости от условий термической и механической обработок. Приведены современные материалы и технологии, применяемые при получении 
изделий теплоэнергетического комплекса. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 13.03.01 
«Теплоэнергетика и теплотехника». 

        Электронный вариант издания см.:
    УДК 620.22(07) 
        http://catalog.sfu-kras.ru
 ББК 30.3я73 

© Сибирский федеральный 
ISBN 978-5-7638-3322-5             
    университет, 2015 

Введение 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................................... 5 

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА  И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ ........................................ 7

1.1. Общая характеристика металлов ................................................................................ 7 
1.2. Свойства материалов .................................................................................................... 8 

2. АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ. МЕХАНИЗМ
И ПАРАМЕТРЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ .............................................................................. 18 
2.1. Атомно-кристаллическое строение металлов .......................................................... 18 
2.2. Полиморфизм и анизотропия. Магнитные превращения ....................................... 20 
2.3. Типы связей и их влияние на структуру и свойства кристаллов ........................... 22 
2.4. Строение реальных металлов. Дефекты атомно-кристаллического строения 
металлов ............................................................................................................................. 24 
2.5. Механизм и параметры кристаллизации .................................................................. 29 

3. ТЕОРИЯ СПЛАВОВ. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ДВОЙНЫХ СИСТЕМ ............. 40

3.1. Основные понятия в теории сплавов ........................................................................ 40 
3.2. Фазы в металлических системах ............................................................................... 42 
3.3. Методы построения диаграмм состояния ................................................................ 46 
3.4. Основные равновесные диаграммы состояния двойных систем. 
Правило отрезков............................................................................................................... 48 
3.5. Физические и механические свойства сплавов в равновесном состоянии. 
Правило Курнакова ........................................................................................................... 54 

4. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД ................................................... 56

4.1. Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов ................................................ 57 
4.2. Значение точек и линий диаграммы железо – цементит ........................................ 60 
4.3. Превращение сталей в твердом состоянии .............................................................. 64 
4.4. Превращения чугунов ................................................................................................ 67 
4.5. Превращения в сплавах системы железо – графит ................................................. 68 
4.6. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства железо-углеродистых 
сплавов ................................................................................................................................ 70 

5. МЕХАНИЗМ И ОСОБЕННОСТИ ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ........ 72

5.1. Механизм пластического деформирования ............................................................. 72 
5.2. Механизм деформации моно-и поликристаллического тела ................................. 74 
5.3. Возврат и рекристаллизация ...................................................................................... 76 
5.4. Разрушение металлов ................................................................................................. 79 

6. ТЕРМИЧЕСКАЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СПЛАВОВ .............. 82

6.1. Отжиг сталей ............................................................................................................... 83 
6.2. Термическая обработка сплавов с переменной растворимостью компонентов 
в твердом состоянии .......................................................................................................... 91 
6.3. Превращения в сталях при нагреве до аустенитного состояния ........................... 94 
6.4. Превращение аустенита при различных степенях переохлаждения ..................... 98 

3 

Материаловедение и технологии конструкционных материалов 

6.5. Закалка ....................................................................................................................... 107 
6.6. Отпуск закаленных сталей ....................................................................................... 114 
6.7. Химико-термическая обработка сплавов ............................................................... 118 
6.8. Термомеханическая обработка ................................................................................ 125 

7. ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА
СТАЛЕЙ ................................................................................................................................ 127 
7.1. Влияние легирующих элементов на равновесную структуру сталей ................. 127 
7.2. Распределение легирующих элементов в стали .................................................... 130 
7.3. Влияние легирующих элементов на превращения в сталях ................................. 132 
7.4. Назначение легирующих элементов ........................................................................ 136 

8. КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ ...................................................... 141

8.1. Классификация сталей ............................................................................................. 141 
8.2. Маркировка сталей ................................................................................................... 143 

9. КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ .................................................................................... 149

9.1. Углеродистые конструкционные стали .................................................................. 149 
9.2. Легированные стали. Химический состав автоматных сталей ............................ 153 

10. МАТЕРИАЛЫ В ТЕПЛОТЕХНИКЕ И ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ ................................ 170

10.1. Свойства сталей, обеспечивающие устойчивость 
к воздействию температуры и рабочей среды .............................................................. 170 
10.2. Материалы котельных установок и паровых турбин .......................................... 192 
10.3. Чугуны. Маркировка, структура, свойства .......................................................... 206 

11. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ ............................................................................... 214

11.1. Углеродистые инструментальные стали .............................................................. 214 
11.2. Легированные инструментальные стали и твердые сплавы ............................... 215 
11.3. Алмаз как материал для изготовления инструментов ........................................ 220 

12. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ НА ИХ ОСНОВЕ ............................................ 221

12.1. Медь и ее сплавы .................................................................................................... 221 
12.2. Алюминий и его сплавы ........................................................................................ 226 
12.3. Титан и его сплавы ................................................................................................. 230 

13. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ....................................................................... 232

14. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ....................................... 235

14.1. Литейное производство.......................................................................................... 235 
14.2. Обработка металлов давлением ............................................................................ 243 
14.3. Сварочное производство ........................................................................................ 253 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………………………….....266 

4 

Введение 

ВВЕДЕНИЕ 

Материаловедение – это наука, изучающая взаимосвязь между составом, строением и свойствами металлов и сплавов в различных условиях. Знания, полученные в результате изучения этой дисциплины, позволяют осуществить рациональный выбор материалов для конкретного применения.  
Материаловедение – постоянно развивающаяся наука, непрерывно 
обогащающаяся за счет разработки новых материалов, которые, в свою 
очередь, стимулируют прогресс во всех областях науки и техники. 
Техническое значение материала определяется его строением и выражается в его свойствах. Из металлических материалов наиболее применяющимся и самым разносторонним является железо и сплавы на его основе, которые и в ближайшее время будут занимать ведущее место. 
Из этих материалов изготовляются самые различные изделия – начиная от 
жестяных консервных банок и заканчивая котлами для атомных реакторов 
из нержавеющей стали.  
Материаловедение, как наука о структуре и свойствах различных материалов, существенно модернизируется за счет интеграции физики твердого тела, химии и технологии неорганических веществ, механики твердого 
деформированного тела и нелинейной механики разрушения. Единый синергетический подход к явлениям первичной и вторичной кристаллизации, 
упругой и пластической деформации стал возможен благодаря новому пониманию реальной структуры материалов на всех иерархических уровнях. 
Эффективное управление свойствами сплавов требует глубокого 
представления механизмов структурных превращений в сплавах, дислокационно-структурных механизмов разрушения, о фракталах и возможностях 
использования 
принципа 
обратных 
связей, 
действующих 
в микроструктурах сплавов. Это поможет сохранять оптимальные метастабильные структуры, соответствующие требуемым физико-механическим 
свойствам сплавов и различных материалов, для повышения долговечности их работы. 
Современный уровень развития энергетической отрасли требует создания новых материалов и технологий изготовления деталей паро- и газотурбинных теплоэлектростанций, что позволит значительно увеличить 
их рабочий ресурс и повысить технико-экономические показатели. 

Тепловые электрические станции, оснащенные мощными энергети
ческими блоками с паровыми котлами сверхкритических и высоких параметров пара, обеспечивают большую часть вырабатываемой в настоящее 
время электрической энергии и поддержание их высокой надежности 
и экономичности. Такую задачу можно решить только в случае правильно
5 

 
 
Материаловедение и технологии конструкционных материалов 

го выбора материалов и технологических процессов, используемых при изготовлении, монтаже и ремонте оборудования. 

Ввод мощных энергетических блоков сопровождается увеличени
ем блочности их изготовления и комплектности заводской поставки 
энергооборудования, повышением качества изготовления и технического уровня котлов, вспомогательного оборудования, деталей трубопроводов и арматуры. 

Повышение температуры перегрева свежего пара и промежуточного 

перегрева сдерживается отсутствием подходящих сталей для высокотемпературной части пароперегревателей и паропроводов. Переход на более 
высокий уровень температур связан с необходимостью применения дорогих и малотехнологичных сталей и сплавов, содержащих высокий процент 
таких дефицитных легирующих элементов, как никель, вольфрам, молибден и др. 

Проведение исследований, позволяющих обосновать правильный 

выбор материалов, а также дать рекомендации по совершенствованию 
конструкции и режимов эксплуатации энергооборудования, удачный выбор химического состава жаропрочной стали недостаточными для обеспечения ее надежной работы в эксплуатации. Большую роль играют технология металлургического производства (шихтовка, способ выплавки, режимы 
прокатки, термической обработки и др.), а также технология изготовления 
и монтажа элементов котельного агрегата (гибка, сварка, последующая 
термическая обработка). И только при высоком уровне технологии и культуры производства и эксплуатации можно обеспечить надежную работу 
современного котла и паровой турбины. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

6 
 
 
 

 
 
1. Общая характеристика и свойства металлов 
 

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА  
И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ 
 
 
1.1. Общая характеристика металлов 
 
В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизнедеятельности, металлы 
всегда занимали особое место. 
Подтверждение этому – и в названиях эпох (золотой, серебряный, 
бронзовый, железный века, на которые греки делили историю человечества), и в археологических находках металлических изделий (кованые 
медные украшения, сельскохозяйственные орудия), и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике. 
Причина этого – особые свойства металлов, выгодно отличающих их 
от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми. 
Металлы – один из классов конструкционных материалов, относятся к химически простым веществам и характеризуются определенным 
набором свойств: 
– металлический блеск (хорошая отражательная способность); 
– пластичность; 
– высокая теплопроводность; 
– высокая электропроводность; 
– положительный температурный коэффициент электрического сопротивления, означающим рост сопротивления с повышением температуры, и сверхпроводимостью некоторых металлов при температурах, близких к абсолютному нулю; 
– термоэлектронная эмиссия, т. е. способность к испусканию электронов при нагреве; 
– кристаллическое строение в твердом состоянии. 
Металлические материалы обычно делят на две большие группы: 
железо и сплавы на его основе (сталь и чугун) называют черными металлами, а остальные металлы и их сплавы – цветными. 
Цветные металлы, применяемые в технике, с учетом их свойств и характера залегания в земной коре, условно делятся на следующие группы: легкие – 
алюминий, магний, титан, бериллий, литий, натрий, калий, кальций, рубидий, 
цезий, стронций, барий; тяжелые – медь, никель, кобальт, свинец, олово, 
цинк, кадмий, сурьма, висмут, ртуть; тугоплавкие – вольфрам, молибден, ниобий, тантал, рений, ванадий, хром, цирконий; благородные (драгоценные) – золото, серебро, платина и платиноиды; рассеянные – галлий, индий, таллий; 

7 
 

 
 
Материаловедение и технологии конструкционных материалов 

редкоземельные – скандий, иттрий, лантан и все лантаноиды; радиоактивные – радий, полоний, актиний, торий, франций, уран и все трансурановые 
элементы. Металлы, которые производят и используют в ограниченных 
количествах, называют редкими, но так как деление это условно, то к ним относят все рассеянные и редкоземельные металлы, а также большую часть тугоплавких, радиоактивных и часть легких металлов. 
 
 
1.2. Свойства материалов 
 
Создание надежно работающих и экономичных агрегатов тепловых 
электрических станций, детали и узлы которых эксплуатируются в условиях 
сложнонапряженного состояния и высоких температур, невозможны без обеспечения механической прочности их деталей. Основными факторами, определяющими механическую прочность, являются действующие и предельные 
нагрузки, которые может выдержать материал без разрушения. Чем меньше 
действующие нагрузки по отношению к предельным, тем надежнее деталь.  
Механические свойства материалов. Механические свойства характеризуют сопротивление материала деформации, разрушение или особенность его поведения при разрушении. Эта группа свойств включает показатели прочности, жесткости (упругости), ползучести, пластичности, 
твердости и вязкости. 
При приложении к некоторому 
телу внешних сил внутри него возникают напряжения – внутренние силы, 
препятствующие разрушению твердого тела. Если, например, к образцу 
(рис. 1.1) приложить внешнюю продольную силу Р, то в каждом его сечении появляются внутренние продольные распределенные по сечению силы. 
Величина возникающих напряжений 
(σ, МПа) определяется нагрузкой, отнесенной к площади поперечного сечения: 
 
𝜎 = 𝑃/𝐹,                (1.1) 

где Р – действующая нагрузка, Н;  
F – площадь поперечного сечения 
испытуемого образца, см2. 

Рис. 1.1. Напряжения в стержне,
 растягиваемом внешней силой 

8 
 
 
 

 
 
1. Общая характеристика и свойства металлов 
 

Если площадь сечения рассмотренного образца F = 1 см2, а растягива
ющая Р = 1 Н, то напряжения в сечении составят σ = Р / F = 1 Н/см2. 
Размерность напряжения совпадает с размерностью давления, и поэтому их чаще всего измеряют в мегапаскалях (1 МПа = 10 ат. = 1 Н/мм2 =  
= 0,1 кг·с/мм2). Такие напряжения называют внешними. При тепловом воздействии или протекании фазовых изменений в металле возникают внутренние напряжения. 

Необходимо отметить, что напряжения, возникающие, например, в се
чении вращающейся рабочей лопатки паровой турбины под действием 
центробежных сил и парового потока, изгибающего рабочую лопатку, будут различны по сечению. Для оценки механической прочности таких деталей необходимо определить опасную точку, в которой напряжения максимальны, а затем сравнить их с характеристикой прочности материала, 
применяемого для изготовления детали. 

Возникшие в металле напряжения (внешние и (или) внутренние)  
вызывают деформацию. 
Деформация – это изменение формы и размеров твердого тела под 
влиянием образующихся в металле напряжений. Деформация подразделяется на упругую и пластическую. 
Упругая деформация – это деформация, которая полностью исчезает после прекращения действия вызывающих ее напряжений.  
При упругом деформировании происходит изменение расстояний между атомами в кристаллической решетке металла. С увеличением межатомных расстояний возрастают силы взаимного притяжения атомов. 
При снятии напряжения под действием этих сил атомы возвращаются  
в исходное положение. Искажение решетки исчезает, тело полностью 
восстанавливает свою форму и размеры. Если нормальные напряжения 
достигают значения сил межатомной связи, то произойдет хрупкое  
разрушение путем отрыва.  
Пластической называется деформация, остающаяся после прекращения действия вызвавших ее напряжений. При пластической деформации 
в кристаллической решетке металла под действием касательных напряжений происходит необратимое перемещение атомов. При небольших 
напряжениях атомы смещаются незначительно и после снятия напряжений 
возвращаются в исходное положение. При увеличении касательного 
напряжения наблюдается необратимое смещение атомов на параметр решетки, т. е. происходит пластическая деформация. 
Прочность – способность материала сопротивляться деформациям  
и разрушению под действием внешних нагрузок. 
В зависимости от условий нагружения механические свойства могут 
определяться при: 

9 
 

 
 
Материаловедение и технологии конструкционных материалов 

– статическом нагружении – нагрузка на образец возрастает медленно и плавно; 
– динамическом нагружении – нагрузка возрастает с большой скоростью, имеет ударный характер; 
– повторно переменном или циклическим нагружении – нагрузка  
в процессе испытания многократно изменяется по величине или по величине и направлению. 
Статические испытания предусматривают медленное и плавное 
нарастание нагрузки, прилагаемой к испытуемому образцу. Прочность при 
статическом нагружении определяется испытаниями на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Обязательным является испытание на растяжение 
(ГОСТ 1497-84). 
Испытание на растяжение. Для испытаний применяют плоские  
и цилиндрические образцы, вырезанные из детали или специально изготовленные. Размеры образцов регламентированы указанным стандартом, 
они подчиняются геометрическому подобию и могут быть короткими  
и длинными. Цилиндрические образцы изготавливаются диаметром 3 мм  
и более, плоские образцы – толщиной 3 мм и более. Образцы состоят  
из рабочей части длиной l0 и головок, форма и размер которых соответствуют захватам машины (рис. 1.2). 
 
 

а
б

Рис. 1.2. Цилиндрические и плоские образцы для испытания на растяжение:

а – до растяжения; б – после растяжения

Растяжение образца производят на специальных машинах, позволяющих фиксировать величину прилагаемой нагрузки и изменение длины 
образца при растяжении. Эти же машины позволяют записывать изменение длины образца при увеличении нагрузки. Диаграмма испытания 
на растяжение в координатах нагрузка (Н) – абсолютное удлинение образца (мм) приведена на рис. 1.3. 

10 
 
 
 

 
 
1. Общая характеристика и свойства металлов 
 

На приведенной диаграмме выделяют 

три участка:  

1 – участок ОС соответствует упругой 
деформации до нагрузки Рупр;  
2 – участок СВ – равномерной пластической деформации от Рупр до Рmах;  
3 – участок от точки В – сосредоточенной пластической деформации от Рmах  
до Рк. 
Пластическое деформирование выше 
Рупр идет по возрастающей нагрузке, так 
как металл в процессе деформирования 
упрочняется.  

Упрочнение металла при деформировании называется наклепом. 
Наклеп металла увеличивается до момента разрыва образца, хотя растягивающая нагрузка при этом уменьшается от Рmах до Рк. (рис. 1.3). Это объясняется появлением в образце местного утонения – шейки (рис. 1.2, б), в которой в основном сосредотачивается пластическая деформация. Несмотря на 
уменьшение нагрузки, растягивающие напряжения в шейке повышаются 
до тех пор, пока образец не разорвется. 

Разрушение материала при постоянных напряжениях (σ) и в услови
ях невысоких температур наступает при достижении напряжений, равных 
пределу прочности материала (σв, МПа). Если к образцу приложить усилие Р, создающее в его сечении напряжение σ = σв, то он разрушится, получив при этом остаточное (необратимое) удлинение: 

σв = Р𝑚𝑎𝑥/𝐹0.
(1.2)

Для оценки надежности детали, работающей при постоянных напря
жениях, обычно используется не предел прочности, соответствующий разрушению, а меньшая величина – предел текучести σт. 

Физический предел текучести (σт) определяют по диаграмме растя
жения, когда на ней имеется площадка текучести. Однако при испытаниях 
на растяжение площадка текучести существует только у сталей с содержанием углерода до 0,1 % и некоторых латуней. Сплавы без площадки текучести имеют условный предел текучести – это напряжение, которому соответствует пластическая деформация 0,2 %, точка Д на диаграмме 
растяжения (рис. 1.3); его обозначают σ0,2. Выбранная пластическая деформация 0,2 % достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим, а напряжение σ0,2 несложно определить при ис
Рис. 1.3. Напряжения в стержне,
 растягиваемом внешней силой 

11