Конструкционные материалы. Полный курс

М. Эшби, Д. Джонс

КонструКционные 

Материалы 
Полный Курс

Перевод третьего английского издания

 под редакцией С. Л. Баженова

М. Эшби, Д. Джонс

Конструкционные материалы. Полный курс. Учебное пособие / М. Эшби, Д.
Джонс – Перевод 3го английского издания – Долгопрудный: Издательский Дом
«Интеллект», 2010. – 672 с.

Учебное руководство создано известными специалистами из Кембриджского
университета. Подробно рассмотрены механические свойства и микроструктуры
металлов и сплавов, полимеров, керамик и композитов. Особое внимание уделено
характеристикам прочности для различных режимов нагружения, коррозионной
стойкости и процессам обработки.
На многочисленных примерах дается обоснование инженерных расчетов, необходимых для конструирования в самом  широком спектре применений.
Учебник является незаменимым источником для инженеровпроектировщиков
в промышленности и строительстве по всем направлениям материаловедения и не
имеет аналогов в мировой литературе.
Для студентов и преподавателей материаловедческих, машиностроительных и
общетехнических факультетов, разработчиков, конструкторов и технологов.

ISBN 9785910590600

ISBN 9785915590600
ISBN 9780750663809 (англ., т. 1)
ISBN 9780750663816 (англ., т. 2)

                          © 2010, ООО Издательский Дом
                           «Интеллект», перевод на русский язык,
                            оригиналмакет, оформление

 © 2005, 2006, Elsevier Ltd.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие редактора перевода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15

Ч а с т ь I. Свойства и применения
Г л а в а 1
Конструкционные материалы и их свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
1.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
1.2.
Выбор материала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19

Цена и доступность

Г л а в а 2
Цена и доступность. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
2.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
2.2.
Цена материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
2.3.
Использование материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
2.4.
Доступные материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
2.5.
Экспоненциальный рост потребления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
2.6.
Доступность ресурсов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
2.7.
Прогноз на будущее . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
2.8.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37

Модули упругости

Г л а в а 3
Модули упругости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
3.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
3.2.
Определение напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
3.3.
Определение деформации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
3.4.
Закон Гука. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
3.5.
Измерение модуля упругости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
3.6.
Значения модуля упругости. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47

Г л а в а 4
Связь между атомами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
4.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
4.2.
Химические связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
4.3.
Физические связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52

Оглавление

4.4.
Конденсированное состояние материи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
4.5.
Межатомные силы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56

Г л а в а 5
Упаковка атомов в твердых телах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
5.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
5.2.
Упаковка атомов в кристаллах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
5.3.
Плотноупакованные структуры и энергия кристалла . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
5.4.
Кристаллография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
60
5.5.
Индексы плоскостей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62
5.6.
Индексы направления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
5.7.
Другие простые кристаллические структуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
5.8.
Упаковка атомов в полимерах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
5.9.
Упаковка атомов в неорганических стеклах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
5.10. Плотность твердых веществ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70

Г л а в а 6
Физическая природа жесткости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
6.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
6.2.
Модули упругости кристаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
6.3.
Каучук и температура стеклования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
73
6.4.
Композиты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
75
6.5.
Резюме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78

Г л а в а 7
Примеры влияния модуля упругости материала на конструирование . . . . . . . . . . . . . .
80
7.1.
Пример 1. Выбор материала для зеркала телескопа . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80
7.2.
Пример 2. Выбор материала балки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
84
7.3.
Пример 3. Выбор материала для экономичной балки . . . . . . . . . . . . . . . .
85
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
86

Предел текучести, предел прочности и деформация при разрыве

Г л а в а 8
Предел текучести, предел прочности и деформация при разрыве . . . . . . . . . . . . . . . .
88
8.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
88
8.2.
Линейная и нелинейная упругость. Анэластическое поведение . . . . . . . . . .
88
8.3.
Диаграммы деформирования пластичных материалов. . . . . . . . . . . . . . . . .
90
8.4.
Диаграммы истинное напряжение — истинная деформация . . . . . . . . . . . .
91
8.5.
Работа пластической деформации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
8.6.
Испытание на растяжение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
8.7.
Результаты испытаний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
94
8.8.
Определение твердости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
97
8.9.
Термины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
98
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
102

Г л а в а 9
Дислокации и деформирование кристаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
104
9.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
104
9.2.
Прочность идеального кристалла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
104
9.3.
Дислокации в кристаллах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
106

Оглавление
5

9.4.
Силы, действующие на дислокацию . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
112
9.5.
Другие свойства дислокаций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
113
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
113

Г л а в а 10
Методы упрочнения и пластичность поликристаллических материалов . . . . . . . . . . . .
114
10.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
114
10.2.
Механизмы упрочнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
114
10.3.
Упрочнение вследствие образования твердого раствора . . . . . . . . . . . . . . .
115
10.4.
Упрочнение вследствие выпадения частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
115
10.5.
Механическое упрочнение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
117
10.6.
Дислокационной предел текучести . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
117
10.7.
Текучесть поликристаллических материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
118
10.8.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
120
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
120

Г л а в а 11
Пластическое течение сплошной среды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
122
11.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
122
11.2.
Наступление текучести и предел текучести при сдвиге k . . . . . . . . . . . . . .
122
11.3.
Определение твердости. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
124
11.4.
Образование шейки при растяжении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
125
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
128

Г л а в а 12
Примеры учета текучести материала при конструировании . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
131
12.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
131
12.2.
Пример 1. Упругие материалы для производства пружин . . . . . . . . . . . . . .
131
12.3.
Пример 2. Использование пластичных материалов в сосудах высокого давления
135
12.4.
Пример 3. Пластичность при прокатке металлов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
137
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
138

Хрупкое разрушение и вязкость разрушения

Г л а в а 13
Хрупкое разрушение и вязкость разрушения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
141
13.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
141
13.2.
Энергетический критерий хрупкого разрушения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
141
13.3.
Gc и Kc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
145
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
149

Г л а в а 14
Микромеханизмы хрупкого разрушения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
151
14.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
151
14.2.
Механизмы распространения трещины. I. Вязкое разрушение . . . . . . . . . . .
151
14.3.
Механизмы распространения трещины. II. Скол . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
153
14.4.
Композиты и древесина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
155
14.5.
Как подавить хрупкость сплавов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
156
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
156

Г л а в а 15
Примеры катастрофического разрушения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
158
15.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
158
15.2.
Пример 1. Разрушение цистерны с аммиаком . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
158

Оглавление

15.3.
Пример 2. Взрыв иллюминатора из оргстекла при гидростатических испытаниях
161
15.4.
Пример 3. Растрескивание кожуха резервуара с жидким метаном . . . . . . . .
163
15.5.
Пример 4. Развалившиеся деревянные перила балкона . . . . . . . . . . . . . . .
165
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
169

Г л а в а 16
Вероятностное разрушение хрупких материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
170
16.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
170
16.2.
Разброс прочности и распределение Вейбулла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
172
16.3.
Пример. Растрескивание пенополиуретана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
176
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
177

Усталостное разрушение

Г л а в а 17
Усталостное разрушение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
179
17.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
179
17.2.
Усталостное поведение деталей, не содержащих трещин. . . . . . . . . . . . . . .
180
17.3.
Усталостное поведение деталей, содержащих трещины . . . . . . . . . . . . . . . .
183
17.4.
Механизмы усталостного распространения трещины . . . . . . . . . . . . . . . . .
184
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
185

Г л а в а 18
Учет усталости при конструировании. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
189
18.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
189
18.2.
Усталостные характеристики деталей, не имеющих трещин . . . . . . . . . . . .
189
18.3.
Концентрация напряжений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
190
18.4.
Коэффициент чувствительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
191
18.5.
Усталостные характеристики сварных швов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
192
18.6.
Способы улучшения усталостных свойств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
194
18.7.
Проектирование с целью устранения усталостных циклов . . . . . . . . . . . . .
194
18.8.
Проверка сосудов высокого давления на наличие усталостных трещин . . . . .
196
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
197

Г л а в а 19
Примеры усталостного разрушения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
199
19.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
199
19.2.
Пример 1. Высокоцикловое усталостное разрушение детали, не содержащей
трещин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
199
19.3.
Пример 2. Низкоцикловое усталостное разрушение детали, не содержащей
трещин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
205
19.4.
Пример 3. Усталостное разрушение детали, содержащей трещины. Обеспечение надежной работы парового насоса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
208
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
211

Ползучесть и разрушение

Г л а в а 20
Ползучесть и разрушение при ползучести . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
213
20.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
213
20.2.
Исследование ползучести и кривые ползучести. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
217
20.3.
Релаксация напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
218
20.4.
Накопление повреждений и разрушение при ползучести . . . . . . . . . . . . . .
219
20.5.
Материалы, стойкие к ползучести . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
221
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
221

Оглавление
7

Г л а в а 21
Кинетическая теория диффузии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
223
21.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
223
21.2.
Диффузия и закон Фика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
224
21.3.
Значения коэффициентов диффузии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
227
21.4.
Механизмы диффузии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
228
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
229

Г л а в а 22
Механизмы ползучести и материалы, стойкие к ползучести . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
231
22.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
231
22.2.
Механизмы ползучести в металлах и керамических материалах . . . . . . . . . .
231
22.3.
Механизмы ползучести полимеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
238
22.4.
Выбор стойких к ползучести материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
239
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
240

Г л а в а 23
Разработка лопасти турбины, стойкой к ползучести . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
241
23.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
241
23.2.
Требования к характеристикам лопастей турбины . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
242
23.3.
Суперсплавы на основе никеля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
243
23.4.
Конструкционные разработки — охлаждение лопастей . . . . . . . . . . . . . . . .
245
23.5.
Перспективные разработки металлов и композитов с металлической матрицей 247
23.6.
Разработка термостойких керамических материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . .
248
23.7.
Рентабельность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
249
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
250

Окисление и коррозия

Г л а в а 24
Окисление материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
251
24.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
251
24.2.
Энергия окисления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
251
24.3.
Скорость окисления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
253
24.4.
Данные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
255
24.5.
Механизмы окисления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
256
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
258

Г л а в а 25
Примеры сухого окисления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
260
25.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
260
25.2.
Пример 1. Получение нержавеющих сплавов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
260
25.3.
Пример 2. Защита лопастей турбины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
261
25.4.
Соединение деталей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
264
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
264

Г л а в а 26
Коррозия материалов под действием влаги . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
266
26.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
266
26.2.
Коррозия под действием влаги . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
266
26.3.
Разность электрических потенциалов как движущая сила окисления . . . . . .
267
26.4.
Скорость окисления во влажных условиях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
269
26.5.
Локальное воздействие коррозии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
270
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
272

Оглавление

Г л а в а 27
Примеры проектирования деталей, работающих во влажных условиях . . . . . . . . . . . .
275
27.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
275
27.2.
Пример 1. Защита подземных труб . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
275
27.3.
Пример 2. Материалы для облегченной крыши фабричного здания . . . . . . .
277
27.4.
Пример 3. Выхлопная система автомобиля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
279
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
280

Трение и износ

Г л а в а 28
Трение и износ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
282
28.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
282
28.2.
Трение между материалами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
282
28.3.
Значения коэффициентов трения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
284
28.4.
Смазка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
285
28.5.
Износ материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
287
28.6.
Требования к поверхностным и объемным свойствам . . . . . . . . . . . . . . . .
288
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
289

Г л а в а 29
Примеры трения и износа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
291
29.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
291
29.2.
Пример 1. Конструирование подшипников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
291
29.3.
Пример 2. Материалы полозьев лыж и саней . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
294
29.4.
Пример 3. Резины с высоким коэффициентом трения . . . . . . . . . . . . . . . .
296
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
297

Использование металлов, керамических материалов,
полимеров и композитов

Г л а в а 30
Использование различных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
298
30.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
298
30.2.
Методология проектирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
300

Г л а в а 31
Пример проектирования. Материалы, потребление топлива и конструирование автомобиля 303
31.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
303
31.2.
Энергия и автомобили . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
303
31.3.
Пути экономии энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
304
31.4.
Материалы, из которых изготавливают автомобиль . . . . . . . . . . . . . . . . . .
305
31.5.
Альтернативные материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
305
31.6.
Методы производства. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
310
31.7.
Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
311

Ч а с т ь II. Микроструктуры и процессы обработки

М е т а л л ы

Г л а в а 32
Металлы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
313
32.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
313
32.2.
Изготовление парового минидвигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
313

Оглавление
9

32.3.
Металлы для изготовления банок для напитков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
318
32.4.
Искусственный тазобедренный сустав . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
319
32.5.
Свойства металлов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
322
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
322

Г л а в а 33
Структура металлов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
323
33.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
323
33.2.
Кристаллическая и аморфная структура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
323
33.3.
Структура растворов и соединений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
325
33.4.
Фазы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
327
33.5.
Границы зерен и фаз . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
327
33.6.
Форма зерен и частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
329
33.7.
Резюме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
330
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
331

Г л а в а 34
Равновесное строение и фазовые диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
333
34.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
333
34.2.
Определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
333
34.3.
Фазовая диаграмма «свинец–цинк» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
334
34.4.
Неопределенные строения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
337
34.5.
Другие фазовые диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
338
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
339

Г л а в а 35
Примеры фазовых диаграмм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
341
35.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
341
35.2.
Выбор мягких припоев . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
341
35.3.
Чистый кремний для микросхем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
344
35.4.
Получение льда, не содержащего пузырьков воздуха . . . . . . . . . . . . . . . . .
349
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
351

Г л а в а 36
Движущие силы структурных изменений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
353
36.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
353
36.2.
Движущие силы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
353
36.3.
Обратимость. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
356
36.4.
Стабильность, нестабильность и метастабильность . . . . . . . . . . . . . . . . . .
357
36.5.
Движущая сила кристаллизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
358
36.6.
Фазовые переходы в твердом состоянии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
360
36.7.
Рост частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
360
36.8.
Рост зерен . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
361
36.9.
Рекристаллизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
361
36.10. Величина движущих сил . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
361
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
362

Г л а в а 37
Кинетика изменения структуры. I. Диффузионные переходы . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
363
37.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
363
37.2.
Твердение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
363
37.3.
Влияние теплоотдачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
367

Оглавление

37.4.
Фазовые переходы в твердом состоянии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
368
37.5.
Кинетика, регулируемая диффузией . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
368
37.6.
Форма зерен и частиц выпадающей фазы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
369
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
371

Г л а в а 38
Кинетика изменения структуры. II. Появление зародышей кристаллизации . . . . . . . . .
373
38.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
373
38.2.
Образование зародышей кристаллизации в расплавах . . . . . . . . . . . . . . . .
373
38.3.
Гетерогенное зарождение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
375
38.4.
Образование зародышей кристаллизации в твердых веществах. . . . . . . . . . .
378
38.5.
Резюме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
378
38.6.
Постскриптум . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
379
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
379

Г л а в а 39
Кинетика изменения структуры. III. Мартенситные переходы . . . . . . . . . . . . . . . . . .
381
39.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
381
39.2.
Диффузионный ГЦК → ОЦК-переход в чистом железе . . . . . . . . . . . . . . .
382
39.3.
Диаграмма время–температура–переход . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
385
39.4.
Мартенситный ГЦК → ОЦК-переход . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
385
39.5.
Образование мартенсита . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
387
39.6.
Мартенситный переход в стали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
389
39.7.
Свойства мартенсита . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
391
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
392

Г л а в а 40
Примеры фазовых переходов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
393
40.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
393
40.2.
Искусственное вызывание дождя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
393
40.3.
Мелкозернистый литой металл . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
396
40.4.
Монокристаллы для полупроводников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
398
40.5.
Аморфные металлы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
401
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
403

Г л а в а 41
Легкие сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
404
41.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
404
41.2.
Упрочнение созданием твердого раствора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
405
41.3.
Упрочнение отжигом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
407
41.4.
Механическое упрочнение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
413
41.5.
Термостойкость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
414
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
414

Г л а в а 42
Стали. I. Углеродистые стали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
416
42.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
416
42.2.
Микроструктуры, возникающие при медленном охлаждении . . . . . . . . . . . .
416
42.3.
Механические свойства нормализованных углеродистых сталей . . . . . . . . . .
421
42.4.
Закаленные и отпущенные углеродистые стали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
421
42.5.
Чугуны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
424
42.6.
Некоторые замечания по поводу C-диаграмм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
425
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
427

Оглавление
11

Г л а в а 43
Стали. II. Легированные стали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
428
43.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
428
43.2.
Закаливаемость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
428
43.3.
Упрочнение выпадающими частицами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
431
43.4.
Упрочнение частицами выпадающей фазы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
431
43.5.
Коррозионная стойкость. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
432
43.6.
Нержавеющие стали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
432
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
434

Г л а в а 44
Примеры решения задач, связанных со свойствами стали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
436
44.1.
Расследование причин взрыва котла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
436
44.2.
Сварка стали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
438
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
443

Г л а в а 45
Производство, формование и соединение металлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
445
45.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
445
45.2.
Литье . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
445
45.3.
Методы металлообработки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
449
45.4.
Восстановление и рекристаллизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
452
45.5.
Механическая обработка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
454
45.6.
Соединение деталей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
455
45.7.
Обработка поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
455
45.8.
Энергосберегающие методы формования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
456
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
456

Керамические материалы и стекло

Г л а в а 46
Керамические материалы и стекло . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
459
46.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
459
46.2.
Типы керамических материалов и стекла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
460
46.3.
Керамические композиты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
462
46.4.
Сведения о керамических материалах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
463
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
465

Г л а в а 47
Структура керамических материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
466
47.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
466
47.2.
Ионные и ковалентные керамические материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
466
47.3.
Простая керамика с ионной связью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
467
47.4.
Простые керамические материалы с ковалентной связью . . . . . . . . . . . . . .
468
47.5.
Оксид кремния и силикаты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
469
47.6.
Силикатное стекло . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
471
47.7.
Керамические сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
471
47.8.
Микроструктура керамических материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
472
47.9.
Стеклообразные керамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
473
47.10. Камень и горные породы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
474
47.11. Керамические композиты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
474
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
474

Оглавление

Г л а в а 48
Механические свойства керамических материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
475
48.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
475
48.2.
Модуль упругости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
475
48.3.
Прочность и твердость решетки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
476
48.4.
Предел прочности керамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
478
48.5.
Стойкость к тепловому удару . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
480
48.6.
Ползучесть керамических материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
481
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
481

Г л а в а 49
Пример хрупкого разрушения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
483
49.1.
Долговечность керамических материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
483
49.2.
Практический пример. Проектирование смотрового окна вакуумной камеры .
484
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
486

Г л а в а 50
Производство, формование и соединение керамических материалов . . . . . . . . . . . . . .
488
50.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
488
50.2.
Производство конструкционных керамических материалов . . . . . . . . . . . . .
488
50.3.
Формование конструкционных керамических материалов . . . . . . . . . . . . . .
489
50.4.
Производство и формование стекла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
492
50.5.
Производство и формование гончарных изделий, фарфора и кирпича . . . . .
495
50.6.
Улучшение свойств керамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
495
50.7.
Соединение керамических деталей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
498
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
499

Г л а в а 51
Цемент и бетон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
501
51.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
501
51.2.
Химические свойства цемента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
501
51.3.
Структура портланд-цемента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
504
51.4.
Бетон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
506
51.5.
Прочность цемента и бетона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
506
51.6.
Высокопрочный цемент . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
509
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
509

Полимеры и композиты

Г л а в а 52
Полимеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
511
52.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
511
52.2.
Классы полимеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
512
52.3.
Свойства полимеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
516
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
519

Г л а в а 53
Структура полимеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
520
53.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
520
53.2.
Длина молекул и степень полимеризации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
521
53.3.
Структура молекул . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
522
53.4.
Упаковка молекул полимеров и стеклование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
524
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
528

Оглавление
13

Г л а в а 54
Механические свойства полимеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
529
54.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
529
54.2.
Влияние времени и температуры на модуль упругости . . . . . . . . . . . . . . . .
530
54.3.
Прочность. Холодная вытяжка и трещины серебра . . . . . . . . . . . . . . . . . .
538
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
543

Г л а в а 55
Производство, формование и соединение полимеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
544
55.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
544
55.2.
Синтез полимеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
544
55.3.
Полимерные смеси . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
545
55.4.
Формование полимеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
547
55.5.
Соединение полимеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
550
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
551

Г л а в а 56
Волокнистые, дисперсно-наполненные и вспененные композиты . . . . . . . . . . . . . . . .
552
56.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
552
56.2.
Волокнистые композиты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
553
56.3.
Модуль упругости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
555
56.4.
Дисперсно-наполненные композиты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
561
56.5.
Пористые и вспененные материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
561
56.6.
Материалы с изменяемыми свойствами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
564
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
564

Г л а в а 57
Древесина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
566
57.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
566
57.2.
Структура древесины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
567
57.3.
Механические свойства древесины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
569
57.4.
Сравнение древесины с другими материалами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
573
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
574

Использование металлов, керамических материалов,
полимеров и композитов
Г л а в а 58
Конструирование изделий из различных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
576
58.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
576
58.2.
Методика проектирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
579
Задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
581

Г л а в а 59
Примеры конструирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
583
59.1.
I. Использование металла. Конструирование барабана конвейера для транспортировки железной руды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
583
59.2.
II. Использование керамики. Воздействие льда на морские нефтяные платформы
590
59.3.
III. Использование полимеров. Колесо из пластика . . . . . . . . . . . . . . . . . .
594
59.4.
IV. Конструирование корпуса скрипки из композиционного материала. . . . .
598

Г л а в а 60
Уроки катастроф, вызванных ошибками конструкторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
605
60.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
605
60.2.
Пример 1. Крушение Тейского железнодорожного моста в 1879 г. . . . . . . . .
606

Оглавление

60.3.
Пример 2. Авиакатастрофы самолетов «Комет» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
613
60.4.
Пример 3. Железнодорожная катастрофа в Эшеде 5 июня 1998 г. . . . . . . . .
618
60.5.
Пример 4. Прыжок на эластичном тросе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
622

П р и л о ж е н и е 1
Чтение фазовых диаграмм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
628
П.1.1. Предисловие для студентов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
628
П.1.2. Чтение фазовых диаграмм. Часть 1. Компоненты, фазы и структура. . . . . . .
628
П.1.3. Чтение фазовых диаграмм. Часть 2. Одно- и двухкомпонентные структуры . .
637
П.1.4. Чтение фазовых диаграмм. Часть 3. Эвтектики, эвтектоиды и перитектики . .
650
П.1.5. Чтение фазовых диаграмм. Часть 4. Заключительные задачи . . . . . . . . . . . .
664

Список рекомендованной литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
670

ПРЕДИСЛОВИЕ
РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА

Данная книга представляет собой учебник. Он довольно необычный, что связано
с объединением в нем изложения научных представлений о природе материалов и
особенностей конструирования изделий из этих материалов. Развитие наук происходит путем чередования стадий постепенного накопления знаний и революционных
переворотов. В химии и физике такой переворот произошел во второй половине
ХIX — начале XX-го века в связи с развитием атомных представлений. В науке
о материалах он произошел в 1960–1970 гг. В западной литературе этот переворот
получил название «революции материаловедения».
Сейчас примерно каждый третий ученый в мире занимается разработкой новых
материалов. Постепенно материаловедение становится отдельной наукой. Эта наука имеет четыре главных раздела, посвященных металлам, полимерам, керамикам
и композиционным материалам. Как следствие, во многих университетах появились новые факультеты: материаловедения, полимеров, керамик и композиционных
материалов.
Процесс создания новых материалов происходит сегодня быстрее, чем когда-либо
раньше в истории человечества. В промышленно развитых странах разработка новых
материалов рассматривается как технологический фундамент, на котором основаны
инновации во всех отраслях техники. Правительства многих стран поддерживают
разработку и промышленное применение новых материалов. В первую очередь это
высокоэффективные композиционные и керамические материалы, высокопрочные
полимеры, аморфные металлы и новые высокотемпературные сплавы. Польза от
подобных инициатив ощущается во всех отраслях промышленности; они оказывают
стимулирующее воздействие на разработку новых потребительских товаров.
Сегодня конструктор должен представлять себе свойства новых материалов и
их потенциальные возможности. Часто новые разработки используют замену металлической детали на деталь из другого материала (к примеру, из полимера), что
сопровождается изменением ее конструкции с целью максимально использовать
потенциальные преимущества нового материала. Однако изделия из полимеров конструируются принципиально иначе, чем изделия из традиционных металлов, а изделия из армированных пластиков иначе, чем изделия из полимеров и металлов.
Инженер должен уметь сравнивать и точно оценивать свойства конкурирующих
материалов — а это часто оказывается тонким делом. Оно требует понимания основных свойств материалов, зависимости этих свойств от процесса обработки, знания
способов формовки, соединения и отделки материалов.

Предисловие редактора перевода

Как видно из оглавления, главы книги объединены в группы, которые посвящены
описанию каждого из четырех классов материалов. В каждой группе сначала читатель
знакомится с основными семействами материалов, составляющих соответствующий
класс. Затем кратко описаны основные черты микроструктуры данного класса, и
подробно описано, как следует обрабатывать эти материалы, чтобы получить нужные конечные изделия.

Г Л А В А
1

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И ИХ СВОЙСТВА

1.1.
ВВЕДЕНИЕ

Считается, что в распоряжении конструктора имеется 50 000 различных материалов. Каким образом он выбирает из этого огромного списка материал,
наилучшим образом соответствующий поставленной задаче? Ошибки в этом деле
могут иметь катастрофические последствия. Во время Второй мировой войны один
из типов торговых судов США нес тяжелые потери не вследствие атак противника, а

Таблица 1.1. Классы свойств материалов

Экономические
Цена и доступность
Возможность вторичной переработки

Физические
Плотность

Механические
Модуль упругости
Предел текучести и прочность
Твердость
Вязкость разрушения
Усталостная прочность
Скорость ползучести
Демпфирование колебаний

Тепловые
Теплопроводность
Удельная теплоемкость
Коэффициент теплового расширения

Электрические и магнитные
Удельное сопротивление
Диэлектрическая постоянная
Магнитная проницаемость

Воздействие окружающей среды
Стойкость к окислению
Коррозионная стойкость
Износостойкость

Технологические
Простота производства
Способность к соединению
Отделка

Эстетические
Цвет
Текстура
Тактильные ощущения

Глава 1. Конструкционные материалы и их свойства

потому, что эти суда самопроизвольно разваливались надвое в открытом море. Сварные швы обшивки из листовой стали оказались слишком хрупкими. Позднее после
катастроф трех пассажирских самолетов «Комет» удалось выяснить, что рамы иллюминаторов этих самолетов изготавливали из материала с недостаточной усталостной
прочностью. Многие из нас сталкивались с плохо сконструированными домашними
приборами из пластика. Они слишком гибки, поскольку при конструировании не
были учтены низкие значения модуля упругости полимера. В табл. 1.1 перечислены
основные физические свойства материала, которые должен принимать во внимание
конструктор. Некоторые из этих свойств могут быть вам незнакомы. В данной главе
мы рассмотрим их, опираясь на некоторые примеры.

Таблица 1.2. Классы материалов

Металлы и сплавы
Железо и сталь
Алюминий и его сплавы
Сплавы меди
Сплавы никеля
Сплавы титана

Полимеры
Полиэтилен (ПЭ)
Полиметилметакрилат (ПММА)
Полиамид (нейлон)
Полистирол (ПС)
Полиуретан (ПУ)
Поливинилхлорид (ПВХ)
Полиэтилентерефталат (ПЭТФ)
Полиэтилэфиркетон (ПЭЭК)
Эпоксиды
Эластомеры, например, натуральный каучук

Керамики и стекла∗
Оксид алюминия (Аl2O3, корунд, сапфир)
Оксид магния (МgО)
Силикатные (SiO2) стекла и силикаты
Карбид кремния (SiC)
Нитрид кремния (Si3N4)
Цемент и бетон

Композиты
Стеклопластик
Углепластик
Наполненные полимеры
Керметы

Натуральные материалы
Древесина
Кожа
Хлопок/шерсть/шелк
Кость

∗Керамики — это поликристаллические неорганические материалы. Стекла являются аморфными (некристаллическими) твердыми веществами. Большинство конструкционных стекол —
неметаллы, однако в настоящее время создан целый ряд аморфных металлов (метглассов).

При изложении данного курса мы рассмотрим классы материалов, приведенные
в табл. 1.2 и на рис. 1.1. Металлы и сплавы применяют чаще других материалов. Однако они постепенно вытесняются полимерами, комбинация свойств которых делает

1.2. Выбор материала
19

их более притягательными для конструкторов. Перспективным классом конструкционных материалов является керамика, из которой в будущем предполагается делать
высокоэффективные тепловые двигатели, острые ножи и подшипники с низким
коэффициентом трения.

Рис. 1.1. Классы конструкционных материалов

Материаловеды могут сочетать свойства различных материалов, создавая композиты, обладающие комплексом нужных свойств. Наиболее известными из них
являются стеклопластики и углепластики. И, наконец, не следует забывать о натуральных материалах, например, древесине и коже, свойства которых остаются
непревзойденными, несмотря на все достижения современной науки.
В данной главе на различных примерах мы попытаемся продемонстрировать,
каким образом конструктор выбирает материал с нужными свойствами.

1.2.
ВЫБОР МАТЕРИАЛА

Обыкновенные отвертки (рис. 1.2) делают из углеродистой стали. Этот
выбор обусловлен высоким модулем упругости стали. Модуль упругости характеризует жесткость материала. Если бы стержень отвертки делали из полимера, слишком
большим был бы угол кручения отвертки. Высокий модуль упругости в данном
случае является одним из критериев выбора материала, однако этот критерий —
не единственный. Стержень должен иметь высокий предел текучести. В противном
случае он погнется при приложении большого усилия (с некачественными отвертками так и происходит). Головка отвертки должна быть очень твердой, поскольку
в противном случае она повредится при взаимодействии с шурупом. И, наконец,
головка отвертки должна иметь высокую прочность. Стекло имеет высокий модуль
упругости, предел текучести и твердость, но не подходит для изготовления отверток,
поскольку оно слишком хрупкое. Говоря точнее, стекло имеет низкую вязкость
разрушения. Аналогичный показатель стали весьма высок, и перед разрушением
она будет немного пластически деформироваться.
Рукоятка отвертки сделана из полиметилметакрилата (ПММА), который называют также оргстеклом. Рукоятка намного толще стержня, и очень высокий модуль
упругости для нее не требуется. Хорошую рукоятку нельзя сделать и из мягкой резины (которая тоже является полимером), поскольку ее модуль упругости слишком
низок. Однако тонкий слой резины на поверхности рукоятки сыграл бы полезную

Глава 1. Конструкционные материалы и их свойства

роль, поскольку она имеет высокий коэффициент трения и обеспечивает хорошее
сцепление с ладонью. Традиционно рукоятки инструментов изготавливали из натурального полимера — древесины. Если судить по общему ежегодному объему ее
потребления, древесина остается самым распространенным полимером до сих пор.
Оргстекло пришло на смену дереву, потому что оно размягчается при нагревании и
ему легко можно придать желаемую форму. Таким образом, оргстеклу свойственна
простота изготовления. Его выбор объясняется также эстетическими соображениями: внешний вид и ощущение на осязание приятны. Кроме того, этот материал имеет
невысокую плотность, и отвертка будет не слишком тяжелой. И, наконец, затраты
на производство деталей из оргстекла невысоки, что обеспечивает их невысокую
стоимость.

Рис. 1.2. Отвертки со стальным стержнем и полимерной рукояткой

Обратимся ко второму примеру (рис. 1.3). Рассмотрим передовые материалы,
используемые в турбовинтовых реактивных авиадвигателях больших самолетов. Турбовинт закачивает воздух в двигатель. Затем воздух сжимается компрессором, смешивается с горючим и сжигается в камере сгорания. Расширяющиеся газы приводят
в движение лопасти турбины и лопатки компрессора, и, наконец, выбрасываются
из сопла, обеспечивая аэродинамическую тягу.
Воздушные винты делают из титанового сплава. Этот материал имеет достаточно высокий модуль упругости, предел текучести и вязкость разрушения. В данном
случае металл должен иметь также высокую усталостную прочность (ввиду наличия
периодических нагрузок), низкий износ (из-за наличия частиц пыли и капель воды)
и высокую коррозионную стойкость (что особенно важно при взлете над морской
поверхностью, когда в двигатель попадают брызги соленой воды). И, наконец, важна
плотность материала. Чем тяжелее двигатель, тем меньшую полезную нагрузку несет
самолет. Для снижения веса лопасти пытались делать из углепластика, состоящего
из углеродных волокон и полимерной матрицы. Плотность углепластика более чем
вдвое ниже, чем у титана. Однако углепластиковые лопасти воздушных винтов оказались излишне хрупкими и не выдерживали столкновения с птицами. Данную проблему можно решить путем оснащения лопасти передней металлической кромкой.
Материал лопаток турбины (находящихся в зоне высоких температур) должен
удовлетворять еще более строгим требованиям. Для высокой эффективности двигателя
горючее должно сжигаться при максимально высокой температуре. Первый ряд лопаток

1.2. Выбор материала
21

двигателя работает при температуре 950 ◦С, что требует высокой стойкости к ползучести и стойкости к окислению. В этом случае к металлу предъявляют необычайно
высокие требования. Им удовлетворяют химически и структурно сложные сплавы
на основе никеля, представляющие собой вершину современного материаловедения.

Рис. 1.3. Поперечный разрез турбовинтового реактивного авиадвигателя

Еще одним примером служит свеча зажигания двигателя внутреннего сгорания
(рис. 1.4). Ее электрод должен обладать высокой термоусталостной стойкостью (изза быстрого изменения температуры), малым износом (вызываемым действием искры) и коррозионной стойкостью из-за воздействия горячих газов, содержащих химически активные соединения серы. Для изготовления электродов используют сплавы
вольфрама, обладающие всеми перечисленными свойствами.

Рис. 1.4. Свеча зажигания двигателя внутреннего сгорания, имеющая керамический корпус
и электроды из вольфрама

Электроизоляция центрального электрода обеспечивается керамикой из окиси алюминия. Этот выбор обусловлен ее низкой электропроводностью, высокими термоусталостными характеристиками, коррозионной стойкостью и стойкостью к окислению.

Глава 1. Конструкционные материалы и их свойства

Наибольшими темпами росло применение неметаллов в потребительских товарах. Следующим примером является крейсерская парусная яхта (рис. 1.5), демонстрирующая использование полимеров и волокнистых композиционных материалов
вместо «традиционных» стали, древесины и хлопка.

Рис. 1.5. Крейсерская яхта, корпус которой изготовлен из стеклопластика, мачта — из
алюминиевого сплава, а паруса — из синтетических полимерных волокон

Корпус крейсерской яхты изготавливают из стеклопластика. Стеклопластик имеет
приятный внешний вид и, в отличие от стали или древесины, не ржавеет и не повреждается червем-древоточцем. Мачту делают из алюминиевого сплава, и при равной
прочности она легче деревянной. Самые современные мачты изготавливают из алюминиевого сплава, армированного углеродными или борными волокнами. Паруса,
ранее делавшиеся из натурального хлопка, теперь изготавливают из полимеров —
нейлона, терилена или кевлара. Такелажные тросы также делают из полимерных
волокон. И, наконец, полимеры вроде ПВХ широко используют для производства
кранцев, лодочных чехлов, курток и спасательных жилетов.
В рассмотренных изделиях использовали три искусственных композиционных
материала: стеклопластик, более дорогой углепластик и еще более дорогой композит на основе алюминиевого сплава, армированного борными волокнами. Выбор
композиционных материалов широк и продолжает расти (см. рис. 1.1), В следующем