Перспективные направления развития материалов и методов их обработки


Е. В. Маркова, О. В. Чечуга





ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДОВ ИХ ОБРАБОТКИ



Учебное пособие














2-е издание, исправленное и дополненное














Москва Вологда
« Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.79
ББК 34.6
      М25

Рецензент: кандидат технических наук, доцент А. В. Сидоркин





     Маркова, Е. В.
М25       Перспективные направления развития материалов и методов их об-
     работки : учебное пособие / Е. В. Маркова, О. В. Чечуга. - 2-е изд., испр. и доп. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 148 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0952-0

     Изложены основные теоретические сведения о методах упрочнения поверхности деталей машин, а также о современных методах обработки материалов, включая прогрессивные технологии литья, обработки металлов давлением, технологии резки металлов. Дана информация по классификации, видам, структуре, получению, обработке и применению большого класса современных перспективных материалов, к которым относятся композиционные, порошковые, наноструктурные, аморфные, синтетические сверхтвердые.
     Для студентов машиностроительных специальностей высших учебных заведений.

                                                           УДК 621.79
                                                           ББК 34.6









ISBN 978-5-9729-0952-0

   © Маркова Е. В., Чечуга О. В., 2022
   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

                СОДЕРЖАНИЕ





Введение.........................................................5
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ.....................7
  1.1. Классификация современных машиностроительных материалов...7
  1.2. Создание и применение материалов с наноструктурой.........8
  1.2.1. Классификация наноматериалов............................8
  1.2.2. Основные области применения наноматериалов..............9
  1.2.3. Основные технологии получения наноматериалов...........13
  1.3. Перспективы применения керамических материалов...........15
  1.4. Разработка современных композиционных материалов.........22
  1.5. Порошковые материалы.....................................29
  1.6. Сверхтвердые материалы...................................33
ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ............................................36
  2.1. Прогрессивные технологии литья..........................37
  2.2.   Современные технологические процессы обработки металлов давлением.......................................................39
  2.2.1. Разработка новых технологий пластической деформации....40
  2.2.2. Сравнение технологических возможностей современных
методов обработки металлов давлением............................47
  2.3. Передовые технологии резки металлов......................48
  2.4. Технологии производства порошковых материалов............55
  2.5. Электрофизические методы обработки металлов..............71
  2.5.1. Электроэрозионный метод................................73
  2.5.2. Электромеханическая обработка..........................75
  2.5.3. Лучевые методы обработки металлов......................77
  2.5.4. Плазменная обработка материалов........................80
  2.6. Электрохимические методы обработки металлов..............80
  2.6.1. Поверхностные методы...................................81
  2.6.2. Размерные методы обработки.............................82
  2.7. Комбинированные методы обработки материалов.............84
  2.8. Основные методы ионной обработки материалов..............85
  2.8.1. Формообразование асферических поверхностей............86
  2.8.2.  Применение ионной обработки для создания рельефа поверхности.....................................................89
  2.9. Криогенная обработка металлорежущего инструмента.........93
  2.10. Перспективные направления лазерной обработки материалов.96
ГЛАВА 3. ПРАКТИКУМ..............................................98
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ............................98

3

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОТЫ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ
МАТЕРИАЛА ПРИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ....107
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 3. РАСЧЕТ СТРУКТУРНОГО КРИТЕРИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОВЕРХНОСТНО-УПРОЧНЕННОГО СЛОЯ
МАТЕРИАЛА.....................................110
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 4. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ
МОДИФИЦИРОВАНИЯ. ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ...................115
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МАТЕРИАЛА
ПОСЛЕ УПРОЧНЕНИЯ..............................117
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 6. РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПРИ УПРУГОМ И ПЛАСТИЧЕСКОМ
КОНТАКТИРОВАНИИ...............................120
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 7. ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СИНТЕТИЧЕСКИХ СВЕРХТВЕРДЫХ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ
МАТЕРИАЛОВ.....................................123
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 8. ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ И СВОЙСТВ НАНОМАТЕРИАЛОВ.........125
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 9. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ.
ПЛАСТМАССЫ.....................................127
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 10. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ИЗДЕЛИЙ ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ. РЕЗИНЫ..130
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 11. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ ДЛЯ ИНСТРУМЕНТОВ, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ АКТИВНОЙ КОРРОЗИОННОЙ СРЕДЫ............................132
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..............136
ПРИЛОЖЕНИЕ....................................139

4

                ВВЕДЕНИЕ





    Новые задачи по повышению долговечности и надежности деталей, работающих при высоких скоростях, нагрузках и температурах, в условиях влияния абразивного, коррозионного и другого воздействия агрессивной среды, могут быть решены за счет создания специальных материалов, развития и внедрения в производство новейших методов обработки.
    Анализ развития науки и техники в настоящее время показывает, что в мире активно развиваются направления, связанные с разработкой новых материалов, которыми являются интеллектуальные материалы, нанокристаллические и аморфные материалы, интерметаллиды и др. Эти материалы имеют отличные служебные характеристики и повышают работоспособность и надежность конструкций и изделий. В настоящее время широко применяются в качестве инструментальных материалов композиционные, порошковые, сверхтвердые и другие материалы, обработка которых обладает рядом особенностей. В период активного развития техники и технологий будущему специалисту необходимо знать весь спектр этих процессов для грамотного выбора того или иного технологического процесса обработки различных материалов.
    Современной и более прогрессивной считается такая технология, которая обеспечивает более качественный продукт при меньших удельных затратах на него ресурсов. В настоящее время в технологическом процессе обработки материалов применяются самые различные методы, включающие электрофизические, электрохимические, лазерные, плазменные, ионные и др. Для изготовления инструментов применяют композиционные, порошковые, сверхтвердые и другие материалы, обработка которых обладает рядом особенностей. В период активного развития техники и технологий будущему специалисту необходимо знать весь спектр этих процессов для грамотного выбора того или иного технологического процесса обработки различных материалов.
    Структура пособия сочетает в себе текстовой, а также графический и табличный материал, который иллюстрируя текст, облегчает восприятие сложных теоретических вопросов. Для самоконтроля усвоения учебного материала предлагаются практические работы, которые позволяют успешно изучать такие дисциплины как «Основные направления отечественного и зарубежного развития высокотехнологических материалов и методов их обработки», «Процессы и операции формообразования», «Современные проблемы технологии и нанотехнологии в машиностроении» и др.
    Практикум, приведенный в данном пособии, представляет собой сборник теоретических сведений и заданий для выполнения практических работ по дисциплинам «Основные направления отечественного и зарубежного развития высокотехнологических материалов и методов их обработки» и «Современные проблемы технологии и нанотехнологии в машиностроении» для магистров, обучающихся по направлению 15.04.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».

5

    В ходе выполнения практических работ студентам необходимо:
    -  провести поиск сведений в технической литературе по заданной теме,
    -  понять текстовое, графическое и численное представление информации,
    -  провести анализ полученной информации,
    -  обобщить имеющиеся данные,
    -  логически построить ответы на вопросы,
    -      использовать фактические данные для подтверждения своего заключения (например, механические характеристики материалов),
    -  построить графические зависимости по найденным числовым данным,
    -  грамотно и чётко формулировать свои мысли и окончательный вывод.

6

                ГЛАВА 1


                СОВРЕМЕННЫЕ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ




            1.1. Классификация современных машиностроительных материалов


    В настоящее время в машиностроении применяется большое количество материалов, которые могут быть подразделены на группы по ряду признаков. Чаще всего машиностроительные материалы подразделяются на три основные группы -металлические, неметаллические и композиционные материалы. В целом общая классификация материалов, применяемых в машиностроении, выглядит следующим образом.

        Металлические материалы

    Материалы на основе железа:
    -      Конструкционные стали и сплавы. (Углеродистые и легированные конструкционные стали, стали для холодной штамповки, цементируемые и нитро-цементуемые, легированные стали, стали с повышенной обрабатываемостью резанием).
    -      Стали с особыми свойствами (мартенситно-стареющие высокопрочные стали. высокопрочные стали с высокой пластичностью - ТРИП- или ПНП-стали, износостойкие стали).
    -      Стали для изготовления определенных узлов и деталей (рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые стали).
    -      Стали для применения при высоких температурах и в агрессивных средах (коррозионно-стойкие и жаростойкие и жаропрочные стали).
    -      Стали для изготовления инструмента (режущего, штампового, измерительного).
    -     Чугуны (серые, ковкие, высокопрочные, антифрикционные).
    Цветные металлы и сплавы на их основе:
    -      Сплавы на основе алюминия (литейные, деформируемые, антифрикционные).
    -     Сплавы на основе магния.
    -     Сплавы на основе титана.
    -     Сплавы на основе меди.
    -     Тугоплавкие металлы и их сплавы.
    -      Антифрикционные подшипниковые сплавы основе легкоплавких металлов (баббиты).
    Стали и сплавы с особыми свойствами:
    -     Твердые сплавы.
    -     Спеченные сплавы на металлической основе (порошковые материалы).


7

        Неметаллические материалы

    -      Пластические массы (термопластичные, термореактивные, газонаполненные).
    -     Материалы на основе углерода.
    -     Резиновые материалы.
    -     Неорганическое стекло.
    -     Керамические материалы.

        Композиционные материалы

    -     Композиционные материалы с полимерной матрицей.
    -     Металлические композиционные материалы.
    -     Керамические композиционные материалы.
    -     Композиционные материалы на основе углерода.
    -     Гибридные композиционные материалы.


            1.2.  Создание и применение материалов с наноструктурой


            1.2.1. Классификация наноматериалов


    В последнее время чрезвычайно перспективным направлением является разработка и применение материалов с наноструктурой. Классификация наноматериалов представлена на рис. 1. На рисунке отчетливо видны несколько категорий наноматериалов.

Наноизделия

Микроизделия

характерный размер
не более 100 нм

Массивные наноматериалы характерный рамер более 1-2 мм

характерный размер

не более 1-2 мм

однофазные

многофазные

нанопорошки нанопроволоки нановолокна тонкие пленки нанотрубки

микроструктурно (микроструктурно

однородные)

неоднородные

• стекла
- гели
_ пересыщенные

сложные сплавы и керамика

- проволоки
- ленты
- фольга

твердые растворы

Композиты с компонентами из наноматериалов

наноизделия

- с наноизделиями
- с нановолокнами с ионно-
. модифицированной поверхностью

_________1__________
микроизделия
  с наноструктурными
_ волокнами и/или частицами
  с наноструктурными
- покрытиями или слоями

____Т
со сложным сочетанием компонентов

Рисунок 1 — Классификация наноматериалов

8

    Первая категория включает материалы в виде твердых тел, размеры которых в одном, двух или трех пространственных координатах не превышают 100 нм. К таким материалам можно отнести наноразмерные частицы (нанопорошки), нанопроволоки и нановолокна, очень тонкие пленки (толщиной менее 100 нм), нанотрубки и т. п. Такие материалы могут содержать от одного структурного элемента или кристаллита (для частиц порошка) до нескольких их слоев (для пленки). В связи с этим первую категорию можно классифицировать как наноматериалы с малым числом структурных элементов или наноматериалы в виде наноизделий.
    Вторая категория включает в себя материалы в виде малоразмерных изделий с характеризующим размером в примерном диапазоне 1 мкм.. .1 мм. Обычно это проволоки, ленты, фольги. Такие материалы содержат уже значительное число структурных элементов и их можно классифицировать как наноматериалов с большим числом структурных элементов (кристаллитов) или наноматериалы в виде микроизделий.
    Третья категория представляет собой массивные (или иначе объемные) наноматериалы с размерами изделий из них в макродиапазоне (более нескольких мм). Такие материалы состоят из очень большого числа наноразмерных элементов (кристаллитов) и фактически являются поликристаллическими материалами с размером зерна 1.100 нм.
    Вторая и третья категории наноматериалов подпадают под более узкие определения нанокристаллических или нанофазных материалов.
    К четвертой категории относятся композиционные материалы, содержащие в своем составе компоненты из наноматериалов. При этом в качестве компонентов могут выступать наноматериалы, отнесенные к первой категории (композиты с наночастицами и/или нановолокнами, изделия с измененным ионной имплантацией поверхностным слоем или тонкой пленкой) и второй категории (например, композиты, упрочненные волокнами и/или частицами с наноструктурой, материалы с модифицированным наноструктурным поверхностным слоем или покрытием). Можно выделить также композиционные материалы со сложным использованием нанокомпонентов.


            1.2.2. Основные области применения наноматериалов


    На рис. 2 схематично представлены основные области применения наноматериалов в настоящее время.

        Конструкционные материалы

    Наноструктурные объемные материалы отличаются большой прочностью при статическом и усталостном нагружении, а также твердостью по сравнению с материалами с обычной величиной зерна. Поэтому основное направление их использование в настоящее время - это использование в качестве высокопрочных и износостойких материалов. Композиты армированные углеродными нановолокнами и фуллеренами рассматриваются как перспективные материалы


9

для работы в условиях ударных динамических воздействий, в частности для брони и бронежилетов.



Основные области применения наноматсриалов и нанотехнологий в настоящее время


   Конструкционные материалы

51 дерная энергетика

Инструментальные материалы —

     — Электромагнитная и электронная техника

Производственные технологии Триботехника

Защита поверхности материалов
Мединина и биотехнологии

Военное дело


Рисунок 2 - Основные области применения наноматериалов и нанотехнологий


        Инструментальные материалы


    Инструментальные сплавы с нанозерном являются как правило более стойкими по сравнению с обычным структурным состоянием. Нанопорошки металлов (рис. 3) с включениями карбидов используют в качестве шлифующего и полирующего материала на конечных стадиях обработки полупроводников и ди-

электриков.

а

Рисунок 3 - Нанопорошок а-АЬОз с низким содержанием железа 0,02 вес. % (а), износостойкая наноструктурная керамика из а-А1Оз (б)

б


        Производственные технологии

    Важным и перспективным в настоящее время является использование наноматериалов в качестве компонентов композитов самого разного назначения. Добавление нанопорошков (подшихтовка) к обычным порошкам при производстве сталей и сплавов методами порошковой металлургии позволяет снижать пористость изделий, улучшать комплекс механических свойств. Проявление эффекта сверхпластичности в наноструктурных сплавах алюминия и титана делает перспективным их применение для изготовления деталей и изделий сложной формы 10

и для использования в качестве соединительных слоев для сварки различных материалов в твердом состоянии.

        Триботехника

    Перспективы применения связаны с тем, что металлические материалы с наноструктурой обладают повышенной твердостью и износостойкостью по сравнению с обычным структурным состоянием.
    Другим направлением в этой области является использование полинанокри-сталлических алмазов и алмазоподобных покрытий, а также сверхтвердых веществ на базе фуллеренов (например сфероподобными молекулами Сбо) и фул-леритов (легированных фуллеренов, например ГехСбо). Наноструктурные многослойные пленки сложного состава на основе кубического BN, C3N4, TiC, TiN, Ti (Al, N), обладающие очень высокой или ультравысокой (до 70 ГПа) твердостью хорошо зарекомендовали себя при трении скольжения, в том числе ряд пленок - в условиях ударного износа. Металлические нанопорошки добавляют к моторным маслам для восстановления трущихся поверхностей.

        Ядерная энергетика

    В США и возможно в других странах к настоящему времени наноматериалы используются в системах поглощения ВЧ- и рентгеновского излучений. Таблетки ТВЭЛов изготавливаются из ультрадисперсных порошков UO2, а в термоядерной технике используются мишени для лазерно-термоядерного синтеза из ультрадисперсного бериллия (рис. 4).


Рисунок 4 — Нанокаркасный материал (нанобериллий) для термоядерной энергетики


        Электромагнитная и электронная техника

    Хороший комплекс магнитных характеристик некоторых наноматериалов -железо в сочетании со слоями халькогенидов - делает перспективным их использование для записывающих устройств. Пленочные наноматериалы с плоской поверхностью и поверхностью сложной формы из магнито-мягких сплавов используют для видеоголовок магнитофонов, где они существенно превосходят по служебным свойствам традиционные материалы.

        Защита материалов

    В ряде случаев для надежного функционирования изделий необходимо обеспечить высокие водо- и маслоотталкивающие свойства их поверхности.

11

Примерами таких изделий могут служить автомобильные стекла, остекление самолетов и кораблей, защитные костюмы, стенки резервуаров для хранения жидкостей, строительные конструкции и т. п. В этих целях разработано покрытие на основе наночастиц оксида титана с размерами 20-50 нм и полимерного связующего. Данное покрытие резко снижает смачиваемость поверхности водой, растительным маслом и спиртовыми растворами (рис. 5).

Рисунок 5 - Покрытие на основе наночастиц оксида титана: а - смачиваемость цементной плиты с покрытием растительным маслом, дистиллированной водой и спиртовым раствором;
б - структура поверхности

б


        Медицина и биотехнологии

    Важной областью применения чистых наноструктурных материалов, в частности Ti, является использование их в медицинских целях - как имплантантов, протезов и в травматологических аппаратах. Причиной является сочетание высоких механических свойств (на уровне сложнолегированных сплавов) с высокой биологической совместимостью чистого металла. Нанопорошки лекарственных препаратов используются в медикаментах быстрого усвоения и действия для экстремальных условий (ранения при катастрофах и боевых действиях).

        Военное дело

    Ультрадисперсные порошки используются в составе ряда радиопоглощающих покрытий для самолетов, созданных с применением технологии «Стелс», а также в перспективных видах взрывчатых веществ и зажигательных смесей. Углеродные нановолокна используются в специальных боеприпасах, предназначенных для вывода из строя энергосистем противника (т. н. «графитовая бомба»).
Ограничения в использовании наноматериалов
    Оказалось, что материалы с наноразмерным зерном отличаются хрупкостью. В ряде случаев, в т. ч. при использовании методов интенсивной пластической деформации, удается снизить проявление этого неприятного эффекта, например для нанокристаллических меди, титана и титановых сплавов, интерметаллида NisAl. Тем не менее проблема остается достаточно актуальной. Важным


12