Материаловедение и металловедение сварки


            МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ СВАРКИ





Допущено учебно-методическим объединением вузов по университетскому техническому образованию в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся по направлению
15.03.02 «Технологическиемашины и оборудование»





















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 669.01
ББК 34.2

М34

Авторы:
В. Н. Гадалов, В. Р. Петренко, С. В. Сафонов, Е. А. Филатов, А. В. Филонович


Рецензенты: доктор технических наук, профессор, главный металлург ПАО «ВАСО» А. Б. Коломенский; доктор технических наук, профессор Тульского государственного университета А. Е. Гвоздев





М34 Материаловедение и металловедение сварки : учебник / [В. Н. Гадалов и др.]. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 308 с. : ил., табл.
         ISBN 978-5-9729-0625-3

     Рассмотрены вопросы строения металлов и сплавов, физические основы изменения строения и свойств конструкционных материалов. Приводятся широко используемые методы определения механических свойств материалов при различных видах нагружения. Описаны виды термической обработки и методы упрочнения металла. Дана классификация конструкционных сталей. Представлены сведения по наноматериалам и технологиям их получения. Приводятся сведения о неметаллических материалах, их свойствах. Описаны основы металловедения сварки и термической обработки сварных соединений; предложены лабораторные работы.
     Для студентов и аспирантов, обучающихся по техническим направлениям и специальностям. Может быть полезно преподавателям, научно-техническим работникам, технологам, инженерам, работающим в различных отраслях машиностроения, металлургии и др.


УДК 669.01
                                                                     ББК 34.2



Электронные материалы доступны на сайте издательства «Инфра-Инженерия» www.infra-e.ru



ISBN 978-5-9729-0625-3

      © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                             © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие......................................................12
Введение.........................................................13
1. Материаловедение.
Особенности атомно-кристаллического строения металлов............14
  1.1. Металлы, особенности атомно-кристаллического строения.....16
  1.2. Понятие об изотропии и анизотропии........................18
  1.3. Аллотропия или полиморфные превращения....................20
  1.4. Магнитные превращения.....................................20
2. Строение реальных металлов. Дефекты кристаллического строения.... 21
  2.1. Точечные дефекты..........................................21
  2.2. Линейные дефекты..........................................22
  2.3. Простейшие виды дислокаций - краевые и винтовые...........22
  2.4. Кристаллизация металлов. Методы исследования металлов.....27
    2.4.1. Механизм и закономерности кристаллизации металлов.....29
    2.4.2. Условия получения мелкозернистой структуры............31
    2.4.3. Строение металлического слитка........................32
  2.5. Методы исследования металлов..............................33
    2.5.1. Определение химического состава.......................33
    2.5.2. Изучение структуры....................................34
    2.5.3. Физические методы исследования........................35
3. Общая теория сплавов. Строение, кристаллизация и свойства сплавов.
Диаграмма состояния..............................................36
  3.1. Понятия о сплавах.........................................36
  3.2. Основные понятия в теории сплавов.........................36
  3.3. Особенности строения, кристаллизации и свойств сплавов: механических смесей; твёрдых растворов; химических соединений..37
    3.3.1. Классификация твёрдых растворов.......................38
  3.4. Кристаллизация сплавов....................................40
  3.5. Диаграмма состояния.......................................40
4. Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов..................42
  4.1. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии (сплавы - твёрдые растворы
  с неограниченной растворимостью)...............................42
  4.2. Диаграмма состояния сплавов с отсутствием растворимости компонентов в твёрдом состоянии (механические смеси)...........44

3

  4.3. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии.................................46
  4.4. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют химические соединения...........................................47
  4.5. Диаграмма состояния сплавов, испытывающих фазовые превращения в твёрдом состоянии (переменная растворимость)..................48
  4.6. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния.49
5. Нагрузки, напряжения и деформации. Механические свойства.......51
  5.1. Физическая природа деформации металлов.....................51
  5.2. Природа пластической деформации............................53
  5.3. Дислокационный механизм пластической деформации............54
  5.4. Разрушение металлов........................................56
  5.5. Механические свойства и способы определения их количественных характеристик...................................................56
6. Механические свойства (продолжение). Технические и эксплуатационные свойства...........................61
  6.1. Механические свойства и способы определения их количественных характеристик: твёрдость, вязкость, усталостная прочность.......61
  6.2. Твёрдость по Бринеллю......................................61
  6.3. Метод Роквелла.............................................62
  6.4. Метод Виккерса.............................................63
  6.5. Метод царапания............................................63
  6.6. Динамический метод (по Шору)...............................63
    6.6.1. Влияние температуры на вязкость........................64
    6.6.2. Способы оценки вязкости................................64
    6.6.3. Оценка вязкости по виду изюма..........................66
  6.7. Основные характеристики выносливости.......................67
    6.7.1. Технологические свойства...............................68
    6.7.2. Эксплуатационные свойства..............................68
7. Конструкционная прочность материалов. Особенности деформации поликристаллических тел. Наклеп, возврат и рекристаллизация.......70
  7.1. Конструкционная прочность материалов.......................70
  7.2. Особенности деформации поликристаллических тел.............71
  7.3. Влияние пластической деформации на структуру и свойства металла. Наклеп......................................72
  7.4. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла. Возврат и рекристаллизация......................................73
8. Железоуглеродистые сплавы. Диаграмма состояния железо - углерод..............................77

4

  8.1. Структуры железоуглеродистых сплавов......................77
  8.2. Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов..............78
  8.3. Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов..80
  8.4. Структуры железоуглеродистых сплавов......................81
  8.5. Стали. Влияние углерода примесей на свойства сталей.......83
    8.5.1. Влияние углерода......................................84
    8.5.2. Влияние примесей......................................84
  8.6. Назначение легирующих элементов...........................86
  8.7. Распределение легирующих элементов в стали................87
9. Классификация и маркировка сталей.............................88
  9.1. Классификация сталей......................................88
  9.2. Маркировка сталей.........................................88
    9.2.1. Углеродистые стали обыкновенного качества.............88
    9.2.2. Качественные углеродистые стали.......................89
    9.2.3. Качественные и высококачественные легированные стали..89
    9.2.4. Легированные конструкционные стали....................89
    9.2.5. Легированные инструментальные стали...................90
    9.2.6. Быстрорежущие инструментальные стали..................90
    9.2.7. Шарикоподшипниковые стали.............................90
10. Чугуны. Диаграмма состояния железо - графит. Строение, свойства, классификация и маркировка серых чугунов.........................91
  10.1. Классификация чугунов....................................91
  10.2. Диаграмма состояния железо - графит......................91
  10.3. Процесс графитизации.....................................92
  10.4. Строение, свойства, классификация и маркировка серых чугунов.93
  10.5. Влияние состава чугуна на процесс графитизации...........94
  10.6. Влияние графита на механические свойства обливок.........94
    Положительные стороны наличия графита........................95
  10.7. Серый чугун..............................................95
  10.8. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом................96
  10.9. Ковкий чугун.............................................97
  10.10. Отбеленные и другие чугуны..............................98
11. Виды термической обработки металлов. Основы теории термической
обработки стали (часть 1)........................................99
  11.1. Виды термической обработки металлов......................99
  11.2. Превращения, протекающие в структуре стали при нагреве и охлаждении...................................................100
  11.3. Механизм основных превращений............................101
    11.3.1. Превращение перлита в аустенит.......................101

5

    11.3.2. Превращение аустенита в перлит при медленном охлаждении.103
    11.3.3. Закономерности превращения..........................103
    11.3.4. Промежуточное превращение...........................106
12. Основы теории термической обработки стали (часть 2).
Технические особенности и возможности отжига и нормализации.........107
  12.1. Превращение аустенита в мартенсит при высоких скоростях охлаждения..............................107
  12.2. Превращения мартенсита в перлит.........................109
  12.3. Технические возможности и особенности отжига, нормализации закалки и отпуска................................110
  12.4. Отжиг и нормализация. Назначение и режимы...............112
    Отжиг первого рода..........................................112
13. Технологические особенности и возможности закалки и отпуска.....115
  13.1. Закалка.................................................115
  13.2. Способы закалки.........................................117
  13.3. Отпуск..................................................119
    Отпускная хрупкость.........................................119
14. Химико-термическая обработка стали: цементация, азотирование, нитроцементация и диффузионная металлизация.....................121
  14.1. Химико-термическая обработка стали (общие сведения).....121
  14.2. Назначение и технология видов химико-термической обработки..122
    14.2.1. Цементация..........................................122
    14.2.2. Цементация в твёрдом карбюризаторе..................122
    14.2.3. Газовая цементация..................................123
    14.2.4. Структура цементованного слоя.......................123
    14.2.5. Термическая обработка после цементации..............123
    14.2.6. Азотирование........................................125
    14.2.7. Цианирование и нитроцементации......................126
    14.2.8. Диффузионная металлизация...........................127
15. Методы упрочнения металла...................................128
  15.1. Термомеханическая обработка стали.......................128
  15.2. Поверхностное упрочнение стальных деталей...............129
    Закалка токами высокой частоты..............................130
  15.3. Газопламеннаязакалка....................................131
  15.4. Старение................................................131
  15.5. Обработка стали холодом.................................133
  15.6. Упрочнение методом пластической деформации..............133
16. Конструкционные материалы. Легированные стали...............135
  16.1. Конструкционные стали...................................135

6

  16.2. Легированные стали....................................135
    16.2.1. Достоинствалегированных сталей....................136
    16.2.2. Недостатки........................................136
  16.3. Влияние элементов на полиморфизм железа...............136
  16.4. Влияние легирующих элементов на превращения в стали...137
    16.4.1. Влияние легирующих элементов на превращения перлита в аустенит................................................137
    16.4.2. Влияние легирующих элементов на превращения переохлаждённого аустенита.................138
    16.4.3. Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение...............................139
    16.4.4. Влияние легирующих элементов на превращение при отпуске .... 139
  16.5. Классификация легированных сталей.....................139
17. Конструкционные стали. Классификация конструкционных сталей..........................142
  17.1. Классификация конструкционных сталей..................142
  17.2. Углеродистые стали....................................142
  17.3. Цементуемые и улучшаемые стали........................142
    17.3.1. Цементуемые стали.................................142
    17.3.2. Улучшаемые стали..................................144
    17.3.3. Улучшаемые легированные стали.....................144
  17.4. Высокопрочные, пружинные, шарикоподшипниковые, износостойкие и автоматные стали............................145
    17.4.1. Высокопрочные стали...............................145
    17.4.2. Пружинные стали...................................146
    17.4.3. Шарикоподшипниковые стали.........................147
    17.4.4. Стали для изделий, работающих при низких температурах.147
    17.4.5. Износостойкие стали...............................148
    17.4.6. Автоматные стали..................................148
18. Инструментальные стали....................................149
  18.1. Стали для режущего инструмента........................149
  18.2. Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435)...... 149
  18.3. Легированные инструментальные стали...................150
  18.4. Быстрорежущие стали...................................151
  18.5. Стали для измерительных инструментов..................152
  18.6. Штамповые стали.......................................153
    18.6.1. Стали для штампов холодного деформирования........153
    18.6.2. Стали для штампов горячего деформирования.........153
  18.7. Твердые сплавы........................................154

7

  18.8. Алмаз как материал для изготовления инструментов.........154
19. Коррозионно-стойкие стали и сплавы. Жаростойкие стали и сплавы.

Жаропрочные стали и сплавы.....................................156
  19.1. Коррозия электрохимическая и химическая................156
  19.2. Классификация коррозионно-стойких сталей и сплавов.....157
  19.3. Хромистые стали........................................158
  19.4. Жаростойкость, жаростойкие стали и сплавы..............160
  19.5. Жаропрочность, жаропрочные стали и сплавы..............161
  19.6. Классификация жаропрочных сталей и сплавов.............162
20. Цветные металлы и сплавы на их основе. Титан и его сплавы.
Алюминий и его сплавы. Магний и его сплавы. Медь и ее сплавы...165
  20.1. Цветные металлы........................................165
  20.2. Титан и его сплавы.....................................165
  20.3. Алюминий и его сплавы..................................167
    20.3.1. Алюминиевые сплавы.................................167
    20.3.2. Литейные алюминиевые сплавы........................169
  20.4. Магний и его сплавы....................................169
    20.4.1. Деформируемые магниевые сплавы.....................169
    20.4.2. Литейные магниевые сплавы..........................169
  20.5. Медь и ее сплавы.......................................170
    20.5.1. Латуни.............................................170
    20.5.2. Бронзы.............................................171

21. Композиционные материалы. Материалы порошковой металлургии: пористые, конструкционные, электротехнические.................174
  21.1. Композиционные материалы..............................174
  21.2. Материалы порошковой металлургии......................177
    21.2.1. Пористые порошковые материалы.....................178
    21.2.2. Прочие пористые изделия...........................179
    21.2.3. Конструкционные порошковые материалы..............179
    21.2.4. Спеченные цветные металлы.........................180
    21.2.5. Электротехнические порошковые материалы...........181
    21.2.6. Магнитные порошковые материалы....................181
22. Модифицирование - метод управления структурой и свойствами металлов, сплавов и покрытий.....................183
  Библиографический список....................................189
23. Наноматериалы.............................................191
  23.1. Нанопорошки...........................................191
  23.2. Объемные наноструктурные материалы....................194
  23.3. Аморфные тела. Нанокристаллические материалы..........196

8

    23.3.1. Аморфныетела.........................................196
    23.3.2. Нанокристаллические материалы........................199
  23.4. Нанотехнологии...........................................203
    23.4.1. Применение в медицине................................208
    23.4.2. Создание конкурентоспособных ионно-плазменного кластерного оборудования, средств нанотехнологического контроля
    и процессов двойного применения..............................209
    23.4.3. Рынок сбыта, конкуренция, маркетинг..................213
  23.5. Основные направления развития нанотехнологий.............214
  23.6. Перспективы использования нанотехнологий и наноматериалов.216
  23.7. Ключевые проблемы развития нанотехнологий................220
  23.8. Практический опыт наноструктурного изменения свойств материалов при ионно-лучевой обработке, как базового метода
  создания кластерного оборудования..............................223
    23.8.1. Изменение структурно-химических свойств материалов....223
    23.8.2. Влияние ионно-лучевой обработки на металлы...........226
24. Основные неметаллические материалы, их свойства..............228
  24.1. Классификация и свойства пластмасс.......................228
25. Резиновые материалы. Состав и классификация резин............243
  25.1. Резины общего назначения.................................245
  Библиографический список.......................................250
26. Основы металловедения сварки.................................253
  26.1. Испытания сварных соединений и изделий...................254
    26.1.1. Способы испытания при растягивающем нагружении.......254
    26.1.2. Испытание на прочность сварного соединения на изгиб...255
  26.2. Технологичность сварных соединений.......................256
    26.2.1. Понятие о технологичности сварных конструкций........256
    26.2.2. Выбор основного металла..............................256
     26.2.2.1. Свариваемость сталей..............................260
     26.2.2.2. Свариваемость алюминия и алюминиевых сплавов.......262
     26.2.2.3. Свариваемость титана и его сплавов................262
     26.2.2.4. Свариваемость меди и её сплавов...................263
    26.2.3. Типы и рациональная форма сварных соединений.........263
    26.2.4. Выбор формы свариваемых элементов и рационального распределения сварных соединений в конструкции...............267
    26.2.5. Выбор способа сварки.................................270
    26.2.6. Выбор способа уменьшения сварочных деформаций и напряжений.................................................272

9

    26.2.7. Выбор баз под сварку и простановка размеров на чертежах сварных сборочных единиц и конструкций..........274
    26.2.8. Выбор термической обработки после сварки............275
    26.2.9. Условные изображения и обозначения швов сварных соединений..........................................276
  26.3. Термическая обработка сварных соединений................279
    26.3.1. Виды термической обработки..........................281
    26.3.2. Режимы термической обработки........................283
    26.3.3. Способы нагрева при термической обработке...........284
    26.3.4. Влияние отклонений от режимов термической обработки на качество сварных соединений..............................287
    26.3.5. Контроль качества термической обработки.............288
  Библиографический список......................................290
Заключение......................................................292
Библиографический список........................................293


Электронные материалы:
https://infra-e.ru/products/materialsandmetalscienceofwelding пароль: infra-e
27.  Методические рекомендации для выполнения лабораторных работ
  27.1. Лабораторная работа № 1. Изготовление отливок в песчаных формах
  27.2.  Лабораторная работа № 2. Изучение геометрии и конструкции токарных резцов
  27.3.  Лабораторная работа № 3. Анализ кинематической схемы цепи главного движения токарного станка
  27.4. Лабораторная работа № 4. Обработка наружной резьбы и определение штучного времени
  27.5. Лабораторная работа № 5. Холодная листовая штамповка
  27.6.  Лабораторная работа № 6. Ручная дуговая сварка металлическим электродом с покрытием
  27.7. Лабораторная работа № 7. Определение коэффициентов расплавления, наплавки и потерь на угар и разбрызгивание при ручной дуговой сварке
  27.8. Лабораторная работа № 8. Дуговая сварка в среде защитных газов
  27.9. Лабораторная работа № 9. Электроискровое легирование и измерение шероховатости покрытий
  27.10.  Лабораторная работа № 10. Определение характеристик сопротивления сварного соединения разрушению при наличии трещиноподобных концентратов

10

  27.11. Лабораторная работа №11. Определение работы распространения трещин в соединениях, полученных диффузионной сваркой
  27.12. Лабораторная работа № 12. Исследование влияния механической неоднородности на прочность и пластичность сварного соединения
  27.13. Лабораторная работа № 13. Выявление окисных включений в металле швов алюминиевых сплавов
  27.14. Лабораторная работа № 14. Количественная оценка содержания газов в металле шва
  27.15. Лабораторная работа №15. Коррозионные испытания сварных соединений
  27.16. Лабораторная работа №16. Контроль качества сварных соединений внешним осмотром и обмеры сварных швов
  27.17. Лабораторная работа № 17. Методы контроля качества сварных швов течеисканием
  27.18. Лабораторная работа №18. Аппаратура и параметры ультразвукового контроля сварных соединений
  27.19. Лабораторная работа № 19. Методы магнитного контроля сварных соединений
  27.20. Контрольная работа
    27.20.1. Общие указания к выполнению задания
    27.20.2. Рекомендации по выбору режимов сварки
    27.20.3. Контрольные варианты к заданию по металловедению сварки.
    Варианты (1-24)
    27.20.4. Варианты (1-24)
  Библиографический список
28. Специальные методы сварки и пайки
  28.1. Лабораторная работа № 1. Микроплазменная сварка
  28.2. Лабораторная работа № 2. Диффузионная сварка титановых сплавов
  28.3. Лабораторная работа № 3. Пайка металлов
  Библиографический список
29. Тесты
  29.1. Структура теста
  29.2. Вопросы к тестам
  29.3. Ответы к тестам
  29.4. Задания к контрольной работе

11

    ПРЕДИСЛОВИЕ


     Предлагаемая книга является учебником в области материаловедения, частично технологии конструкционных материалов и металловедения сварки, основных методов исследований и испытаний, а также термической обработки металлов, сплавов и сварных соединений.
     В данном учебнике изложены и обобщены вопросы проведения основных методов исследования конструкционных материалов, лабораторных работ по курсам: «Материаловедение», «ТКМ» и «Металловедение сварки». Изложены основные сведения по различным видам испытаний и термической обработке сварных соединений, лабораторные работы и контрольные варианты заданий по курсу «Металловедение сварки» и «Материаловедению».
     Учебник предназначен для студентов машиностроительных, приборостроительных и строительных специальностей технических и др. профильных вузов, а также будет полезно как учебник преподавателям вузов, научнотехническим работникам, технологам, инженерам и аспирантам, работающим в различных отраслях машиностроения, металлургии и в смежных отраслях.
     Авторы приносят извинения за возможные опечатки и будут признательны за критические замечания.
     Все отзывы по книге просим направлять по адресам: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94, Юго-Западный государственный университет, а также 394026 г. Воронеж, Московский проспект, 14, Воронежский государственный технический университет; 394006. г. Воронеж, ул. 50 лет Октября, 84.


12

    ВВЕДЕНИЕ


     Научно-технический прогресс, новые экономические отношения непрерывно выдвигают новые требования и к подготовке специалистов с высшим образованием. Эти требования нашли свое отражение в постановлениях правительства России по преобразованию высшей школы. В них отмечается, что главное внимание высшей школы должно быть сосредоточено на всестороннем улучшении качества профессиональной подготовки студентов.
     Важным и эффективным средством решения задач по перестройке высшего образования, с целью улучшения качества подготовки и повышения профессионального уровня специалистов, является система продуманного и методически правильно организованного курса лекций по «Материаловедению», «Металловедению сварки» и частично «ТКМ», а также лабораторного практикума по тем же дисциплинам.
     Настоящий учебник способствует частичному выполнению поставленной задачи и содержит сведения: о закономерностях, определяющих строение и свойства материалов; о составе и методах их обработки; о методах испытания машиностроительных материалов, а также о приборах для выполнения этих методов в лаборатории и для контроля в заводской практике; характер и содержание которых подобраны в соответствии с действующими программами курсов «Материаловедение», «Технологии конструкционных материалов», «Технологические процессы в машиностроении» и «Проектирование сварных конструкций», «Металловедение сварки» и других родственных курсов.
     Учебник состоит из введения, основных глав, методических рекомендаций для выполнения лабораторных работ, тестов, заданий к контрольной работе и приложения. В главах приводятся общие сведения по материаловедению и металловедению сварки. Методические указания к лабораторным работам нацеливают студентов на самостоятельное выполнение и, в отличие от общеизвестных лабораторных практикумов, предусматривают выполнение индивидуального задания с элементами научного исследования. В тестах и ответах подробно рассматривается их структура. В заданиях к контрольной работе представлены различные варианты для самостоятельной подготовки студентов. В приложении приведены двойные диаграммы состояния.
     Каждая лабораторная работа состоит из теоретической части, в которой в кратком виде дана теория изучаемого вопроса, методика проведения работы с указанием цели, материального оснащения и порядка ее выполнения.
     Основная цель практикума - закрепить и дополнить полученные знания по соответствующим разделам изучаемых дисциплин, научить студентов самостоятельно проводить испытания и осмыслить проведенные работы, привить навыки к научным исследованиям.
     Данный учебник предназначен для студентов машиностроительных специальностей высших учебных заведений.

13

1. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.
ОСОБЕННОСТИ АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

    Материаловедение - это наука о взаимосвязи электронного строения, структуры материалов с их составом, физическими, химическими, технологическими и эксплуатационными свойствами.
    Создание научных основ металловедения по праву принадлежит Чернову Д. К., который установил критические температуры фазовых превращений в сталях и их связь с количеством углерода в сталях. Этим были заложены основы для важнейшей в металловедении диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов.
    Открытием аллотропических превращений в стали, Чернов заложил фундамент термической обработки стали. Критические точки в стали, позволили рационально выбирать температуру ее закалки, отпуска и пластической деформации в производственных условиях.
    В своих работах по кристаллизации стали, и строению слитка Чернов изложил основные положения теории литья, не утратившие своего научного и практического значения в настоящее время.
    Великий русский металлург Аносов П. П. впервые применил микроскоп для исследования структуры металлов. Ему принадлежит приоритет в создании легированных сталей. Разработал теорию и технологию изготовления клинков из булатной стали. Из его работ стало ясно, что так называемый булатный узор на поверхности стали, непосредственно зависит от ее внутренней структуры.
    В 1873-1876 гг. Гиббс изложил основные законы фазового равновесия и, в частности, правило фаз, основываясь на законах термодинамики. Для решения практических задач знание фазового равновесия в той или иной системе необходимо, но недостаточно для определения состава и относительного количества фаз. Обязательно знать структуру сплавов, то есть атомное строение фаз, составляющих сплав, а также распределение, размер и форму кристаллов каждой фазы.
    Определение атомного строения фаз стало возможным после открытия Лауэ (1912 г.), показавшего, что атомы в кристалле регулярно заполняют пространство, образуя пространственную дифракционную решетку, и что рентгеновские лучи имеют волновую природу. Дифракция рентгеновских лучей на такой решетке дает возможность исследовать строение кристаллов.
    В последнее время для структурного анализа, кроме рентгеновских лучей, используют электроны и нейтроны. Соответствующие методы исследования называются электронографией и нейтронографией. Электронная оптика позволила усовершенствовать микроскопию. В настоящее время на электронных микроскопах полезное максимальное увеличение доведено до 100 000 раз.
    В пятидесятых годах, когда началось исследование природы свойств металлических материалов, было показано, что большинство наиболее важных свойств, в том числе сопротивление пластической деформации и разрушению в 14

различных условиях нагружения, зависит от особенностей тонкого кристаллического строения. Этот вывод способствовал привлечению физических теорий о строении реальных металлов для объяснения многих непонятных явлений и для конструирования сплавов с заданными механическими свойствами. Благодаря теории дислокаций, удалось получить достоверные сведения об изменениях в металлах при их пластической деформации.
    Особенно интенсивно развивается металловедение в последние десятилетия. Это объясняется потребностью в новых материалах для исследования космоса, развития электроники, атомной энергетики.
    Основными направлениями в развитии металловедения является разработка способов производства чистых и сверхчистых металлов, свойства которых сильно отличаются от свойств металлов технической чистоты, с которыми преимущественно работают. Генеральной задачей материаловедения является создание материалов с заранее рассчитанными свойствами применительно к заданным параметрам и условиям работы. Большое внимание уделяется изучению металлов в экстремальных условиях (низкие и высокие температуры и давление).
    До настоящего времени основной материальной базой машиностроения служит черная металлургия, производящая стали и чугуны. Эти материалы имеют много положительных качеств и в первую очередь обеспечивают высокую конструкционную прочность деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки как большая плотность, низкая коррозионная стойкость. Потери от коррозии составляют 20 % годового производства стали и чугуна. Поэтому, по данным научных исследований, через 20...40 лет все развитые страны перестроятся на массовое использование металлических сплавов на базе титана, магния, алюминия. Эти легкие и прочные сплавы позволяют в 2-Зраза облегчить станки и машины, в10 раз уменьшить расходы на ремонт.
    По данным института имени Байкова А. Н. в нашей стране есть все условия чтобы в течение 10.15 лет машиностроение могло перейти на выпуск алюминиево-титановой подвижной техники, которая отличается легкостью, коррозионной стойкостью и большим безремонтным ресурсом.
    Важное значение имеет устранение отставания нашей страны в области использования новых материалов взамен традиционных (металлических) -пластмасс, керамики, материалов порошковой металлургии, особенно композиционных материалов, что экономит дефицитные металлы, снижает затраты энергии на производство материалов, уменьшает массу изделий.
    Расчетами установлено, что замена ряда металлических деталей легкового автомобиля на углепластики из эпоксидной смолы, армированной углеродными волокнами, позволит уменьшить массу машины на 40 %; она станет более прочной; уменьшится расход топлива, резко возрастет стойкость против коррозии.

15

    1.1. Металлы, особенности атомно-кристаллического строения

    В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, 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 - в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.
    Металлы - один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определенным набором свойств:
     •  «металлический блеск» (хорошая отражательная способность);
     •  пластичность;
     •  высокая теплопроводность;
     •  высокая электропроводность.
    Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико, и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объёму металла, т. е. принадлежать целой совокупности атомов.
    Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа».
    Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определённым порядком - периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая. решётка.
    Другими словами, кристаллическая решетка - это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.
    Элементарная ячейка - элемент объёма из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.
    Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:
     •  размеры рёбер элементарной ячейки. а, Ь, с - периоды решётки - расстояния между центрами ближайших атомов. В одном направлении выдерживаются строго определёнными;
     •  углымеждуосями( а, Р, у);

16

     • координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке;
     • базис решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки;
     • плотность упаковки атомов в кристаллической решетке - объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки - 0,68, для гранецентрированной кубической решетки - 0,74).


Рис. 1.1. Схема кристаллической решетки

    Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа:
     • примитивный - узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;
     • базоцентрированный - атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;
     • объемно-центрированный - атомы занимают вершины ячеек и ее центр;
     • гранецентрированный - атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней.


17

a

а                   б                    в

Рис. 1.2. Основные типы кристаллических решеток: а - объемно-центрированная кубическая; б - гранецентрированная кубическая; в - гексагональная плотноупакованная

     Основными типами кристаллических решеток являются:
     1. Объемно-центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис. 1.2, а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, Fe а).
     2. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 1.2, б), атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней (Ag, Au, Fe ?).
     3. Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:
       • простая - атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);
       • плотноупакованная (ГПУ) - имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).



    1.2. Понятие об изотропии и анизотропии

    Свойства тела зависят от природы атомов, из которых оно состоит, и от силы взаимодействия между этими атомами. Силы взаимодействия между атомами в значительной степени определяются расстояниями между ними. В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве расстояния между атомами в различных направлениях равны, следовательно, свойства будут одинаковые, то есть аморфные тела изотропны.
    В кристаллических телах атомы правильно располагаются в пространстве, причем по разным направлениям расстояния между атомами неодинаковы, что предопределяет существенные различия в силах взаимодействия между ними и, в конечном результате, разные свойства. Зависимость свойств от направления называется анизотропией.
    Чтобы понять явление анизотропии необходимо выделить кристаллографические плоскости и кристаллографические направления в кристалле.
    Плоскость, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографической плоскостью.

18