Материаловедение и технологии обработки материалов
Покупка
Год издания: 2014
Кол-во страниц: 544
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7038-3889-1
Артикул: 602198.02.99
Доступ онлайн
2 800 ₽
В корзину
Изложены физико-механические основы материаловедения, закономерности формирования строения материалов в процессе кристаллизации, пластической деформации, термической обработки. Особое внимание уделено фазовым превращениям в твердом состоянии, механизмам упрочнения. Приведены технологические способы управления строением и свойствами сплавов, основные свойства конструкционных и инструментальных материалов.
Рассмотрены процессы, протекающие при изготовлении изделий в парогазовой, жидкой, твердо-жидкой и твердой фазах. Даны рекомендации по обеспечению технологичности заготовок и деталей машин при их проектировании. Уделено внимание основам технологий получения заготовок сваркой и механической обработкой резанием. Приведены примеры конструирования и изготовления деталей с учетом механических и технологических свойств используемых сплавов и типа производства.
Для студентов технических университетов, обучающихся по машиностроительным направлениям, а также для преподавателей и инженеров.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 15.03.01: Машиностроение
- 15.03.02: Технологические машины и оборудование
- ВО - Специалитет
- 15.05.01: Проектирование технологических машин и комплексов
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
А.Ф. Третьяков, Л.В. Тарасенко МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям 150700 «Машиностроение», 151000 «Технологические машины и оборудование», специальности 151701 «Проектирование технологических машин и комплексов» Москва 2014
УДК 620.22 : 621.7(075)
ББК 3о3я 73 : 34.5я 73
Т66
Рецензенты:
заведующий кафедрой «Технология конструкционных материалов»
МАИ (национального исследовательского университета), предсе-
датель научно-методического совета «Материаловедение и тех-
нология конструкционных материалов» д-р техн. наук, профессор
Г.П. Фетисов;
чл.-корр. РАН, д-р техн. наук, профессор МГТУ «Станкин»
А.М. Дмитриев
Третьяков А. Ф.
Т66 Материаловедение и технологии обработки материалов :
учеб. пособие / А. Ф. Третьяков, Л. В. Тарасенко. – М. : Изд-во
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. – 541, [3] c. : ил.
ISBN 978-5-7038-3889-1
Изложены физико-механические основы материаловедения, за-
кономерности формирования строения материалов в процессе кри-
сталлизации, пластической деформации, термической обработки. Осо-
бое внимание уделено фазовым превращениям в твердом состоянии,
механизмам упрочнения. Приведены технологические способы управ-
ления строением и свойствами сплавов, основные свойства конструк-
ционных и инструментальных материалов.
Рассмотрены процессы, протекающие при изготовлении изделий
в парогазовой, жидкой, твердо-жидкой и твердой фазах. Даны реко-
мендации по обеспечению технологичности заготовок и деталей ма-
шин при их проектировании. Уделено внимание основам технологий
получения заготовок сваркой и механической обработкой резанием.
Приведены примеры конструирования и изготовления деталей с уче-
том механических и технологических свойств используемых сплавов и
типа производства.
Для студентов технических университетов, обучающихся по ма-
шиностроительным направлениям, а также для преподавателей и ин-
женеров.
УДК 620.22 : 621.7(075)
ББК 3о3я 73 : 34.5я 73
© Третьяков А.Ф., Тарасенко Л.В., 2014
© Оформление. Издательство
ISBN 978-5-7038-3889-1 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014
Оглавление
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие .............................................................................................. 11
Раздел I. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ ........................................................................... 14
Глава 1. Классификация машиностроительных материалов,
их свойства и характеристики ............................................................... 14
1.1. Классификация материалов ......................................................... 14
1.2. Основные свойства конструкционных материалов ................... 18
1.2.1. Механические свойства ...................................................... 18
1.2.2. Физические и химические свойства .................................. 23
1.2.3. Технологические и эксплуатационные свойства ............. 25
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 27
Глава 2. Классификация материалов в зависимости от природы
химической и физической связей .......................................................... 29
2.1. Типы химической и физической связей в веществах ................ 29
2.2. Материалы c химической связью различных типов. Свойства
материалов, способы их получения ............................................ 31
2.2.1. Полимеры ............................................................................ 33
2.2.2. Керамика ............................................................................. 34
2.2.3. Металлы и сплавы .............................................................. 36
2.2.4. Карбиды и интерметаллиды .............................................. 39
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 41
Глава 3. Строение металлов и сплавов ................................................ 42
3.1. Методы исследования структуры и состава материалов .......... 42
3.2. Пространственные объекты в сплаве, состоящие из групп
атомов ............................................................................................. 43
3.2.1. Кристаллическая решетка металлов ................................. 43
3.2.2. Зерна, дендриты, волокна, гранулы, порошки ................. 47
3.3. Несовершенства кристаллической структуры ........................... 52
3.4. Наноструктура .............................................................................. 58
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 60
Оглавление
Глава 4. Основы теории сплавов .......................................................... 61
4.1. Химический состав сплавов ........................................................ 61
4.2. Фазовый состав сплавов .............................................................. 62
4.3. Понятие о равновесных фазовых диаграммах (диаграммах
состояния) ..................................................................................... 65
4.4. Фазовые превращения в сплавах в твердом состоянии ............ 74
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 77
Раздел II. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО.
ОСНОВНАЯ ПРОДУКЦИЯ .................................................................... 79
Глава 5. Физико-химические процессы производства чугуна
и стали ........................................................................................................ 79
5.1. Современное металлургическое производство .......................... 79
5.2. Производство чугуна ................................................................... 80
5.3. Производство стали ...................................................................... 82
5.4. Внедоменное получение стали .................................................... 86
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 88
Глава 6. Кристаллизация и строение стальных слитков ................. 89
6.1. Формирование структуры литых заготовок ............................... 89
6.2. Форма кристаллов и строение стальных слитков ...................... 97
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 100
Глава 7. Способы повышения качества слитков ............................... 101
7.1. Непрерывная разливка стали ....................................................... 101
7.2. Внепечная обработка стали ......................................................... 103
7.3. Переплавные процессы ................................................................ 104
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 108
Глава 8. Производство цветных металлов .......................................... 109
8.1. Производство меди ....................................................................... 109
8.2. Производство алюминия .............................................................. 110
8.3. Производство магния ................................................................... 111
8.4. Производство титана .................................................................... 112
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 114
Глава 9. Основная продукция металлургического производства ......... 115
9.1. Виды машиностроительных профилей ...................................... 115
9.2. Производство прокатанных профилей ....................................... 116
9.3. Производство прессованных профилей ..................................... 121
9.4. Волочение машиностроительных профилей .............................. 124
9.5. Производство гнутых профилей ................................................. 125
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 127
Раздел III. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ
СТРОЕНИЕМ И СВОЙСТВАМИ СПЛАВОВ ...................................... 128
Глава 10. Требования к свойствам конструкционных сплавов ...... 128
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 133
Оглавление
5
Глава 11. Холодная пластическая деформация
и рекристаллизация ................................................................................. 134
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 139
Глава 12. Термическая обработка сплавов ......................................... 140
12.1. Виды термической обработки ................................................... 140
12.2. Виды универсального отжига I рода ......................................... 143
12.3. Упрочняющая термическая обработка ..................................... 145
12.4. Химико-термическая обработка ................................................ 148
12.4.1. Химико-термическая обработка с диффузионным
насыщением углеродом и азотом .................................... 149
12.4.2. Химико-термическая обработка с диффузионным
насыщением металлами ................................................... 151
12.5. Поверхностная лазерная обработка .......................................... 152
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 154
Раздел IV. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ............................ 155
Глава 13. Формирование строения машиностроительных
сталей
................................................................................................. 155
13.1. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов. Область
сталей ........................................................................................... 155
13.2. Фазовые превращения в сталях при медленном охлаждении
из аустенитной области ............................................................. 158
13.3. Термическая обработка сталей .................................................. 161
13.4. Закалка сталей на мартенсит ..................................................... 170
13.5. Отпуск сталей ............................................................................. 176
13.6. Химико-термическая обработка сталей ................................... 179
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 185
Глава 14. Конструкционные машиностроительные стали .............. 186
14.1. Классификация машиностроительных сталей ......................... 186
14.2. Влияние легирующих элементов на свойства сталей ............. 189
14.3. Стали с различным уровнем прочности ................................... 192
14.4. Рессорно-пружинные стали ....................................................... 199
14.5. Износостойкие стали .................................................................. 203
14.6. Подшипниковые стали ............................................................... 207
14.7. Автоматные стали ...................................................................... 210
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 212
Глава 15. Стали с особыми физико-химическими свойствами ....... 213
15.1. Жаропрочные стали ................................................................... 213
15.2. Стали с повышенной поверхностной стойкостью ................... 220
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 229
Глава 16. Сплавы железа с углеродом. Чугуны ................................. 231
16.1. Химический состав и виды чугунов ......................................... 231
Оглавление
16.2. Механические и технологические свойства чугунов .............. 235
16.3. Серые чугуны .............................................................................. 236
16.4. Высокопрочные чугуны ............................................................. 237
16.5. Чугуны с вермикулярным графитом ........................................ 239
16.6. Ковкие чугуны ............................................................................ 240
16.7. Специальные чугуны ................................................................. 241
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 243
Глава 17. Сплавы цветных металлов ................................................... 244
17.1. Алюминиевые сплавы ................................................................ 244
17.2. Магниевые сплавы ..................................................................... 250
17.3. Титановые славы ........................................................................ 252
17.4. Медные сплавы ........................................................................... 255
17.4.1. Латуни ................................................................................ 257
17.4.2. Бронзы ............................................................................... 259
17.5. Антифрикционные материалы .................................................. 261
17.6. Никелевые жаропрочные сплавы .............................................. 264
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 267
Глава 18. Пластмассы и композиционные конструкционные
материалы ................................................................................................. 268
18.1. Пластмассы ................................................................................. 268
18.1.1. Состав и свойства пластмасс ........................................... 268
18.1.2. Термопластичные пластмассы ........................................ 271
18.1.3. Термореактивные пластмассы ......................................... 274
18.2. Композиционные конструкционные материалы ..................... 276
18.2.1. Композиционные материалы на металлической
основе ................................................................................. 282
18.2.2. Композиционные материалы на полимерной основе ......... 286
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 289
Раздел V. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ .......................... 290
Глава 19. Условия работы и требования к инструментальным
материалам ................................................................................................ 290
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 293
Глава 20. Материалы для изготовления металлорежущих
инструментов ............................................................................................ 294
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 298
Глава 21. Стали для изготовления инструментов обработки
металлов давлением и для измерительных инструментов .................... 299
21.1. Общая характеристика материалов для инструментов
обработки металлов давлением ................................................. 299
21.2. Валковые стали ........................................................................... 301
21.3. Штамповые стали ....................................................................... 303
Оглавление
7
21.3.1. Стали для инструментов горячего деформирования ..... 303
21.3.2. Стали для инструментов холодного деформирования ....... 306
21.4. Стали для измерительных инструментов ................................. 310
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 311
Раздел VI. МЕТОДЫ И СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК ..... 312
Глава 22. Технологические процессы формообразования
заготовок .............................................................................................. 312
22.1. Термины и определения ............................................................. 312
22.2. Основные виды заготовок и их характеристики ...................... 314
22.3. Качество и технологичность заготовок .................................... 317
22.4. Формообразующие технологические процессы ...................... 319
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 320
Глава 23. Получение заготовок и их обработка в парогазовой,
жидкой и твердой фазах .......................................................................... 321
23.1. Процессы физического и химического осаждения
материалов. Основные области их применения ...................... 321
23.2. Получение заготовок и их обработка в жидкой фазе .............. 329
23.3. Получение заготовок и их обработка в твердой фазе ............. 339
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 347
Глава 24. Выбор метода получения заготовки конструируемой
детали .................................................................................................... 349
24.1. Основные принципы выбора метода получения заготовки .......... 349
24.2. Технологические возможности основных методов
получения заготовок .................................................................. 349
24.3. Факторы, определяющие выбор метода получения
заготовки ..................................................................................... 352
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 358
Раздел VII. КОНСТРУИРОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ, ИЗГОТОВЛЯЕМЫХ
МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ ДАВЛЕНИЕМ И РЕЗАНИЕМ ...... 359
Глава 25. Физико-механические основы изготовления заготовок
обработкой давлением ........................................................................ 359
25.1. Особенности получения заготовок обработкой давлением .......... 359
25.2. Пластичность и сопротивление деформированию .................. 361
25.3. Общая характеристика кузнечно-штамповочного
производства ............................................................................... 363
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 364
Глава 26. Технологические особенности изготовления заготовок
обработкой давлением ............................................................................. 365
26.1. Изготовление заготовок ковкой ................................................ 365
26.2. Разновидности объемной штамповки ....................................... 368
Оглавление
26.3. Тиксоштамповка ......................................................................... 372
26.4. Общая характеристика технологических процессов
получения изделий из листовых заготовок .............................. 375
26.5. Основные технологические операции листовой штамповки ........ 376
26.6. Обработка поверхностей пластическим деформированием ......... 381
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 383
Глава 27. Конструирование технологичных изделий, изготовляемых
обработкой давлением ............................................................................. 384
27.1. Классификация поковок ............................................................ 384
27.2. Конструирование заготовок, получаемых ковкой
и объемной штамповкой ............................................................ 384
27.3. Обеспечение технологичности штампованной заготовки ...... 389
27.4. Конструирование технологичных изделий, изготовляемых
листовой штамповкой ................................................................ 391
Вопросы для самоконтроля ................................................................... 395
Глава 28. Физико-механические основы обработки заготовок
резанием ................................................................................................ 396
28.1. Особенности технологических процессов обработки
заготовок резанием ..................................................................... 396
28.2. Физические закономерности механической обработки
резанием ...................................................................................... 398
28.3. Свойства обработанной поверхности ....................................... 401
28.4. Силы резания и тепловые явления при обработке резанием ........ 403
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 407
Глава 29. Обрабатываемость материалов резанием и способы ее
улучшения ............................................................................................ 408
29.1. Обрабатываемость материалов ................................................. 408
29.2. Основные способы улучшения обрабатываемости ................. 410
29.3. Технологические особенности механической обработки
заготовок из основных конструкционных материалов ........... 414
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 418
Глава 30. Технологические особенности механической обработки
заготовок резанием .............................................................................. 419
30.1. Обработка точением поверхностей заготовок ......................... 419
30.2. Поперечное, продольное строгание и долбление заготовок ......... 421
30.3. Обработка заготовок протягиванием ........................................ 423
30.4. Обработка заготовок осевым режущим инструментом .......... 424
30.5. Обработка заготовок фрезерованием ....................................... 427
30.6. Обработки поверхностей заготовок шлифованием ................. 429
30.7. Технологические процессы отделочной обработки
поверхностей заготовок ............................................................. 431
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 435
Оглавление
9
Глава 31. Технологические процессы обработки резанием
основных поверхностей заготовок .................................................... 437
31.1. Обработка поверхностей тел вращения .................................... 437
31.2. Обработка плоских поверхностей ............................................. 442
31.3. Нарезание резьбы на заготовках ............................................... 443
31.4. Обработка поверхностей заготовок деталей с периодически
повторяющимся профилем ........................................................ 445
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 449
Глава 32. Конструирование деталей, изготовляемых с использованием
механической обработки давлением и резанием .............. 450
32.1. Общие технологические требования к деталям ....................... 450
32.2. Конструктивные и технологические мероприятия, обеспечи-
вающие повышение технологичности детали ......................... 454
32.3. Примеры конструирования и изготовления типовых деталей
с использованием механической обработки давлением
и резанием ................................................................................... 459
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 467
Раздел VIII. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЗАГОТОВОК МЕТОДОМ
ЛИТЬЯ И СВАРКИ ................................................................................... 469
Глава 33. Литейные свойства сплавов и область их рационального
применения ................................................................................................ 469
33.1. Основные особенности процессов получения отливок .......... 469
33.2. Литейные свойства сплавов и их влияние на конструктивные
размеры и форму отливок ........................................................... 470
33.3. Область рационального применения литейных сплавов ........ 477
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 479
Глава 34. Технологические особенности изготовления отливок ........... 480
34.1. Технико-экономические показатели основных способов
получения отливок ..................................................................... 480
34.2. Выбор рационального способа литья заготовки проектируемой
детали .......................................................................................... 487
34.3. Изготовление отливок из основных конструкционных
материалов .................................................................................. 490
34.4. Термическая и механическая обработки отливок ................... 493
Вопросы для самоконтроля ............................................................................ 497
Глава 35. Конструирование технологичных отливок ....................... 498
35.1. Классификация отливок ............................................................. 498
35.2. Общие принципы конструирования литых деталей ................ 499
35.3. Особенности конструирования заготовок, изготовляемых
специальными способами литья ............................................... 504
35.4. Обеспечение технологичности конструкции отливки ............ 506
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 513
Оглавление
Глава 36. Физико-механические основы технологических
процессов сварки ................................................................................. 514
36.1. Технологические особенности изготовления сварных
и паяных заготовок ..................................................................... 514
36.2. Формирование соединений при сварке .................................... 518
36.3. Напряжения и деформации при сварке .................................... 519
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 522
Глава 37. Технологические особенности изготовления сварных
заготовок .................................................................................................... 523
37.1. Свариваемость материалов ........................................................ 523
37.2. Технологические особенности получения сварных соединений
из основных конструкционных материалов ............................. 525
37.3. Дефекты в сварных соединениях и методы контроля ............. 528
Вопросы для самоконтроля ....................................................................... 529
Глава 38. Конструирование технологичных сварных изделий ....... 530
38.1. Общие принципы конструирования сварных заготовок ......... 530
38.2. Технологичность сварных заготовок ........................................ 531
38.3. Примеры конструирования и изготовления типовых деталей
с использованием литья и сварки ............................................. 538
Вопросы для самоконтроля ................................................................... 541
Заключение ............................................................................................... 542
Литература ................................................................................................ 543
Предисловие 11 ПРЕДИСЛОВИЕ В учебных планах подготовки выпускников высших образова- тельных учреждений машиностроительного профиля дисциплины «Материаловедение» и «Технология конструкционных материалов» (ТКМ) относятся к числу основополагающих. Это объясняется прежде всего тем, что получение и разработка новых материалов, технологии обработки заготовок являются основой современного производства и во многом определяют научно-технический и эко- номический потенциал страны. Проектирование рациональных кон- курентоспособных изделий, организация их производства невоз- можны без должного технологического обеспечения и достаточного уровня знаний в области материаловедения и технологий обработки заготовок. Кроме того, в техническом университете эти дисциплины служат базой для изучения многих специальных учебных курсов. Взаимопроникновение учебного материала, излагаемого в курсах материаловедения и ТКМ — дисциплин, которые в значительной степени развивались независимо друг от друга, привело к необходимости рассматривать процессы конструирования и изготовления технологичных изделий с единой точки зрения. В ходе принятия новых технологических решений при разработке различного рода машин эффективно используется междисциплинарный подход. Важным этапом создания изделий является проектирование, во время которого конструктор закладывает в документацию определенный вариант конструкторско-технологического решения (КТР). При этом необходимо принимать такое КТР, которое удовлетворяет эксплуатационным требованиям, предъявляемым к изделию, и соответствует современному уровню развития материаловедения и технологии изготовления изделий. Конструктор должен учитывать свойства материала изделия и их изменение в процессе производства заготовок, включая последующую термическую и механическую обработки. Поэтому в условиях массового производства тех-
Предисловие нологические свойства материала и экономические требования приобретают особое значение. В процессе конструирования деталей с необходимыми показателями качества следует учитывать ряд требований, способствующих повышению технологичности изделий. Прежде всего, это минимальная себестоимость первичной заготовки (слиток, профиль, поковка, отливка и др.) и последующих технологических процессов изготовления изделия. Вопросы технологичности конструкции должны решаться на стадии выбора марки материала, проектирования заготовки, ее механической и термической обработок, а также сборки всего изделия. Современная тенденция состоит в том, что отработка конструкции на технологичность смещается на стадию разработки конструкторской документации. Выбор марки материала в процессе конструирования деталей определяется не только условиями их функционирования, но и изготовления в реальном производстве. В то же время технологические свойства материала существенно влияют на выбор метода и способа получения заготовок. Например, серый чугун и силумины имеют прекрасные литейные свойства и пригодны для изготовления фасонных отливок, а низкоуглеродистые стали используют для получения заготовок деталей холодной штамповкой. Заготовки из одного и того же материала, полученные методами литья, обработки давлением и сварки, обладают разными свойствами. Например, литой металл характеризуется наличием дендритов различного размера и формы, неоднородностью химического состава и механических свойств по сечению отливки, наличием остаточных напряжений и т. д. После холодной обработки давлением заготовки имеют мелкозернистую структуру и определенную направленность расположения зерен и неметаллических включений, что, в свою очередь, формирует анизотропию свойств. Сварка приводит к образованию неоднородных структур в сварном шве и околошовной зоне в зависимости от вида и режима технологического процесса. Термическую обработку заготовок используют как для формирования требуемых свойств готового изделия, так и для обеспечения благоприятных условий при пластическом деформировании, механической обработке резанием, сварке и других процессах, применяемых для изготовления требуемых конструкций. Потому термическая обработка является составной частью технологии изготовления деталей машин и приборов с заданным комплексом свойств, требуемой точностью формы и размеров.
Предисловие 13 Следует отметить, что большинство учебников и учебных посо- бий по дисциплинам «Материаловедение» и ТКМ написано для бу- дущих материаловедов и технологов. В то время как эти дисциплины в образовательных учреждениях высшего профессионального обра- зования относятся к общеинженерному блоку, их преподают всем студентам, обучающимся в технических вузах. В становлении инже- неров, бакалавров и магистров эти дисциплины занимают особое ме- сто, так как одни из первых способствуют формированию мышления будущих специалистов, которые должны разрабатывать конкуренто- способные машины и приборы. В этой связи необходима такая учеб- ная литература, в которой излагаются вопросы и материаловедения и ТКМ для студентов, приступающих к конструированию деталей и машин, т. е. нужна литература для начинающего конструктора. В междисциплинарном учебном пособии материал объединен таким образом, чтобы облегчить работу студентов при проектиро- вании (конструировании) технологичных изделий. Кроме того, эта книга будет полезна студентам и преподавателям в том случае, когда учебными планами предусмотрено изучение курса «Матери- аловедение» одновременно или после ТКМ. Особенность учебного пособия «Материаловедение и технологии обработки материалов» заключается в том, что приведенный матери- ал поможет будущим конструкторам и технологам сформировать умение выбирать как оптимальные марки материалов, так и рацио- нальные технологические способы изготовления заготовок и деталей машин. Кроме того, совместное изложение вопросов материаловеде- ния, термической обработки и процессов, применяемых для изготов- ления и формоизменения заготовок, в рамках одного учебного посо- бия позволяет сформировать у студентов компетенции, необходимые для решения практических задач при конструировании и разработке технологий изготовления машиностроительной продукции. В учебном пособии, подготовленном на кафедрах «Материалове- дение» и «Технологии обработки материалов» МГТУ им. Н.Э. Бау- мана, обобщен многолетний опыт преподавания дисциплин «Мате- риаловедение» и ТКМ. В ряде случаев в учебном пособии отражена личная точка зрения авторов. Разделы I, III–V написаны доктором технических наук, про- фессором Л.В. Тарасенко; II, VI–VIII — доктором технических наук, профессором А.Ф. Третьяковым. Авторы выражают благодарность всем сотрудникам и студен- там МГТУ им. Н.Э. Баумана за оказанную помощь при подготовке и обсуждении рукописи учебного пособия.
Раздел I. Физико-химические основы материаловедения Раздел I ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ Глава 1. КЛАССИФИКАЦИЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ИХ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ 1.1. Классификация материалов Материаловедение — наука о строении материалов, способах управления их составом и структурой, о влиянии состава и структуры на свойства материалов. Материалы — это сложные или простые вещества, их смеси, гетерогенные композиции природного или искусственного происхождения, используемые или пригодные к использованию для решения практических задач. В технике материалы подразделяют на конструкционные и инструментальные. Конструкционными называют материалы, применяемые для изготовления деталей машин, изделий и конструкций, которые должны обладать определенным уровнем прочности, надежности и долговечности. При эксплуатации детали и конструкции из этих материалов должны противостоять внешним воздействиям, име- ющим механическую, тепловую и химическую природу или их сочетание. Конструкционные материалы являются основными ма- териалами в машиностроительном производстве. Инструментальные материалы предназначены для исполь- зования в технологических циклах изготовления деталей и изделий, для обработки конструкционных материалов при опера- циях формообразования, механической обработки резанием, при обработке давлением, сварке и др., а также для изготовления измерительных инструментов.
Глава 1. Классификация машиностроительных материалов 15 В машиностроении от правильного выбора материалов, в том числе новых, зависит решение технических задач, связанных с по- вышением работоспособности и надежности конструкций и меха- низмов, уменьшением их массы и экономией средств. Конструкционные материалы могут быть классифицированы по нескольким признакам. По области применения конструкционные материалы подраз- деляют на машиностроительные, строительные и материалы с особыми свойствами — так называемые функциональные матери- алы, например, используемые в приборостроении или атомной энергетике. Материалы, применяемые в машиностроении и приборострое- нии, можно классифицировать в соответствии с различными при- знаками: химический состав, свойства, способы получения, назна- чение и т. п. Наиболее общей является классификация материалов по их химической природе: металлические, неметаллические и компо- зиционные материалы (рис. 1.1). Основную группу конструкционных материалов представляют металлические материалы — металлы и сплавы. Их относят к неорганическим веществам. Металлы и сплавы подразделяют на черные и цветные. Черные металлы — это железо и сплавы на его основе: стали и чугуны; цветные металлы — это алюминий, титан, медь, магний, никель, олово, свинец и сплавы на их основе. К цветным относят также тугоплавкие сплавы — на основе хрома, ванадия, молибдена, ниобия, тантала и вольфрама. Неметаллические материалы могут быть как неорганическими, так и органическими. К органическим относят пластмассы на основе углеродных полимеров, резины, органическое стекло. Неорганиче- ские материалы — это техническая керамика, стекла, интерметал- лические соединения типа металл — металл. Техническая керамика включает соединения различных элементов с кислородом (оксиды), углеродом (карбиды), азотом (нитриды), а также графит. Композиционные материалы (композиты) сочетают в себе свойства нескольких материалов. Композиты получают в резуль- тате искусственного объединения двух или более разнородных компонентов с четкой границей между ними. Композиционные материалы могут состоять как из одинаковых по химической при- роде материалов (металл — металл, неметалл — неметалл), так и из сочетания металлических и неметаллических материалов.
Раздел I. Физико-химические основы материаловедения Рис. 1.1. Классификация машиностроительных материалов
Глава 1. Классификация машиностроительных материалов 17 По назначению конструкционные материалы классифицируют в соответствии с условиями работы деталей, выполненных из этих материалов. В машиностроении эти условия отличаются значитель- ным разнообразием. Такие детали, как поршни двигателей, карданные валы, клапана двигателей, пружины, подшипники качения и скольжения, подвергаются при эксплуатации воздействию различных внешних факторов — механическим нагрузкам, температуре, влиянию внешней среды. В зависимости от условий работы изделий их материал должен отвечать определенным требованиям к свойствам: статической и циклической прочности, пластичности, жаропрочности, хладо- стойкости, износостойкости, коррозионной стойкости, жаростойкости и другим свойствам. Виды механической нагрузки влияют на выбор материалов с различным уровнем характеристик: статической прочности (пониженной, средней, высокой); циклической прочности (выносливости); циклической контактной прочности; износостойкости; ударной вязкости. При одновременном воздействии механической нагрузки и повышенной температуры используют жаропрочные материалы. С учетом температуры эксплуатации применяют материалы хладостойкие (климатические температуры); криогенные (температуры сжиженных газов); жаростойкие (повышенные температуры). При агрессивном воздействии внешней среды используют коррозионно-стойкие материалы. Инструментальные материалы по применению подразделяют на материалы для механической обработки резанием; для обработки давлением (прокатка, штамповка, прессование, волочение и т. п.); для измерительных инструментов. С учетом технологии изготовления машиностроительные материалы на металлической основе подразделяют на литейные, деформируемые, гранулированные и порошковые. В случае применения литейных материалов основную форму и размеры изделия получают методом литья. При использовании деформируемых материалов для изготовления основной формы и размеров изделия необ-
Раздел I. Физико-химические основы материаловедения ходимо несколько технологических этапов: литье, горячая и холодная деформация, а также механическая обработка резанием. Гранулированные материалы получают из гранул, порошковые — из порошков с применением технологий порошковой металлургии: спекания, брикетирования, прессования и других видов деформации. Гранулы — это частицы или неразделимый конгломерат размером 1…10 мм. Порошок — это совокупность частиц твердого вещества, имеющих размеры 0,001…1 мм, находящихся во взаимном контакте и не связанных между собой в единое тело. 1.2. Основные свойства конструкционных материалов В процессе проектирования изделия выбор материала осу- ществляют с учетом комплекса его свойств, которые прежде всего должны удовлетворять необходимым требованиям к изготовлению и эксплуатации изделия. При изучении механических, физических, химических, техно- логических и эксплуатационных свойств устанавливают пригод- ность конструкционных и инструментальных материалов для про- изводства конкретных видов изделий. Свойство — это категория, выражающая такую сторону пред- мета, которая обусловливает его различие или общность с другими предметами и обнаруживается в его отношении к ним. Свойство количественно выражается в виде одной или не- скольких характеристик, определяемых способом и условиями ис- пытания материала или изделия. Например, свойство пластич- ность (при эксплуатации) имеет две характеристики — относи- тельное удлинение (после разрушения) δ и относительное сужение (после разрушения) ψ; свойство жаропрочность имеет три харак- теристики — предел ползучести σп, предел длительной прочности σд.п, кратковременная прочность при повышенных температурах σв t — так называемая горячая прочность. 1.2.1. Механические свойства Механическими называют такие свойства, которые определя- ют при испытаниях образцов материалов под действием внешних нагрузок. В результате этих испытаний устанавливают количе- ственные характеристики механических свойств.
Доступ онлайн
2 800 ₽
В корзину