Материаловедение

                МШ1ШЦЦНП





Издание восьмое, стереотипное



Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки и специальностям в области техники и технологии










Москва Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана 2008

УДК 621.002.3(075.8)
ББК 34.651

     М34




      Рецензенты: д-р техн, наук, проф. М.Г. Карпман; кафедра материаловедения и технологии обработки материалов « МАТИ» - Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского
      Авторы: Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин, Н.М. Рыжов, В.И. Силаева






М34 Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. -8-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 648 с.: ил.


          ISBN 978-5-7038-1860-2


           В восьмом, стереотипном издании учебника (7-е изд. в 2005 г.), изложены закономерности формирования структуры материалов при затвердевании, пластическом деформировании и термической обработке; показана взаимосвязь комплекса физико-механических свойств материалов со структурой; обосновано обеспечение прочности, надежности и долговечности деталей благодаря рациональному выбору материалов с учетом условий эксплуатации. С позиций эксплуатационных требований рассмотрены особенности свойств, обработки и применения металлических и неметаллических материалов современных приборов и машин.
           Содержание учебника соответствует программе и курсу лекций, которые авторы читают в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
           Для студентов высших технических учебных заведений машино- и приборостроительных специальностей.



УДК 621.002.3(075.8)
                                                          ББК 34.651


ISBN 978-5 7038 1860-2

© Коллектив авторов, 2001 © Издательство МГТУ

им. Н.Э. Баумана, 2001

ПРЕДИСЛОВИЕ

    Восьмое, стереотипное (7-е изд. в 2005г.) издание учебника «Материаловедение», соответствует учебным программам курса «Материаловедение», который авторы на протяжении многих лет читают в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана.
    Издание учебников по этой дисциплине стало традицией кафедры материаловедения. Первый в нашей стране учебник для машиностроительных вузов был издан в МВТУ им. Н.Э. Баумана профессором И.И. Сидориным в 1930 г. В 1976 г. под его редакцией вышел в свет учебник «Основы материаловедения», в котором был обобщен опыт преподавания этой дисциплины студентам машиностроительных и приборостроительных специальностей. Во втором издании учебника, выпушенного н 1986 г. под общей редакцией профессора Б.Н. Арзамасова, промышленные материалы были классифицированы по эксплуатационным свойствам. Это усилило практическую направленность его разделов и предоставило будущим конструкторам и технологам лучшие возможности для оценки и выбора материалов. Авторы учебника были удостоены Государственной премии СССР. Положительная оценка учебника со стороны научно-технической общественности позволила авторам сохранить такую же структуру в настоящем издании.
    Переработку учебника проводили с учетом развития конструкционных и инструментальных материалов, а также способов их обработки. Несмотря на то, что некоторые вопросы, рассмотренные в учебнике, являются факультативными для машиностроительных либо приборостроительных специальностей вузов, авторский коллектив считает их изложение целесообразным, полагая, что факультативность определяется учебной программой каждого вуза в отдельности.
    Новый вариант учебника подготовлен авторским коллективом: профессорами Б.Н. Арзамасовым, Г.Г, Мухиным, Н.М. Рыжовым и доцентами В.И. Макаровой и В.И. Силаевой.
    Авторы выражают благодарность Фонду авиационно-космических технологий за финансовую поддержку этого издания.
    Авторы благодарны рецензентам, чл.-корр. РАН, д-ру техн, наук, проф. А.А. Ильину и д-ру техн, наук, проф. М.Г. Карпману, а также коллективу кафедры «Материаловедение». Авторы признательны инженеру кафедры С.А. Ко-туновой за помощь в оформлении книги.

ВВЕДЕНИЕ

    Материаловедение - наука о материалах, их строении и свойствах уходит своими корнями в далекое прошлое. Во все времена использование природных и созданных человеком материалов зависело от прочности, надежности и долговечности выполненных из них изделий. Сегодня металлы и их сплавы являются самым обширным и универсальным по применению классом материалов. Центральное место среди них занимают две группы сплавов железа - стали и чугуны. Производство стали превышает производство алюминия - второго после железа металла по масштабам производства и применения - в несколько десятков раз.
    Как всякая наука, материаловедение представляет собой совокупность знаний, полученных расчетным и экспериментальным путем, которые позволяют сделать обобщения и выводы, а также предвидеть пути развития науки о материалах.
    Теоретической основой материаловедения являются соответствующие разделы физики и химии, однако наука о материалах развивается в основном экспериментальным путем.
    Материаловедение является поистине интернациональной наукой, ее теоретические основы были заложены трудами ученых разных стран. Среди них необходимо выделить американца Джозайи Уилларда Гиббса (1839 - 1903 гг.) - основоположника физической химии.
    Д.К. Чернов (1839-1921 гг.) открыл в 1868 г. критические точки в сталях, заложив тем самым научные основы термической обработки.
    Значительный вклад в развитие материаловедения внесли русские ученые П.П. Аносов (1799 - 1851 гг.) и Д.И. Менделеев (1834 - 1907 гг.), англичанин Роберт Аустен (1843 - 1902 гг.), немец А. Мартенс (1850 -1914 гг.).
    XX век ознаменовался крупными достижениями в теории и практике материаловедения: были созданы высокопрочные материалы для деталей и инструментов, разработаны композиционные материалы, открыты сверхпроводники, применяющиеся в энергетике и других отраслях техники, открыты и использованы свойства полупроводников. Одновременно

Введение

5

совершенствовались способы упрочнения деталей термической и химикотермической обработкой. Огромное значение для развития отечественного материаловедения в ваше время имели работы А.А. Бочвара, Г.В. Курдюмова, В.Д. Садовского и В.А. Каргина.
    Условия работы современных машин и приборов выдвигают требования прочности и стойкости материалов в широком интервале температур - от —269 °C у сжиженного гелия до 1000 °C и выше при динамических нагрузках, в вакууме и в горячих потоках активных газов. Решение важнейших технических задач, связанных с экономным расходом материалов, уменьшением массы машин и приборов во многом зависит от развития материаловедения. Непрерывный процесс создания новых материалов для современной техники обогащает науку о материалах.
    Авторы учебника принадлежат к школе профессора Ивана Ивановича Сидорина, который в 1925 г. начал читать курс лекций по материаловедению и термической обработке для студентов-механиков в МВТУ им. Н.Э. Баумана, а в 1929 г. там же организовал кафедру. Его инженерная и научная деятельность были связаны с развитием отечественной авиации, он активный участник создания первых металлических самолетов, построенных по проектам А.Н. Туполева. Профессор И.И. Сидорин был инициатором открытия Всероссийского института авиационных материалов, где в течение ряда лет он был заместителем начальника.
    В годы Великой Отечественной войны профессор И.И. Сидорин был главным металлургом завода № 45, ныне Московского машиностроительного производственного предприятия «Салют», которому присвоен статус Федерального государственного унитарного предприятия.

Раздел 1


ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛОВ

Глава 1

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ


1.1. Кристаллические и аморфные тела

    В природе существуют две разновидности твердых тел, различающиеся по своим свойствам, — кристаллические и аморфные.
    Кристаллические тела остаются твердыми, т.е. сохраняют приданную им форму до вполне определенной температуры, при которой они переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении. Так, у чистых металлов переход из одного состояния в другое протекает (рис. 1.1) при определенной температуре плавления.
    Аморфные тела при нагреве размягчаются в большом температурном интервале, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении.
    Кристаллическое состояние твердого тела более стабильно, чем аморфное.
    Аморфные тела в отличие от жидкостей имеют пониженную подвижность частиц. Аморфное состояние можно зафиксировать во многих органических и неорганических веществах ускоренным охлаждением из жидкого состояния. Однако при повторном нагреве, длительной выдержке 20... 25 °C, а в некоторых случаях при деформации нестабильность аморфного твердого тела проявляется в частичном или полном переходе в

кристаллическое состояние.
    Примерами такого перехода могут служить помутнение неорганических стекол при нагреве, частичная кристаллизация плавленого янтаря при нагреве, а также резины при растяжении, сопровождающаяся упрочнением.
    Кристаллические тела характеризуются упорядоченным расположением в пространстве частиц, из которых они составлены (ионов, атомов, молекул).

Рис. 1.1. Кривая охлаждения при кристаллизации металла

Глава 1. Строение и свойства материалов

    Свойства кристаллов зависят от электронного строения атомов и характера взаимодействия их в кристалле, от пространственного расположения частиц, химического состава. Все эти детали строения кристаллов описывает понятие «структура».
    В зависимости от размеров структурных составляющих и применяемых методов их выявления используют следующие понятия: тонкая структура, микро- и макроструктура.
    Тонкая структура описывает расположение частиц в кристалле и электронов в атоме; изучают ее дифракционными методами (рентгенография, электронография, нейтронография). Анализируя дифракционную картину, получаемую при взаимодействии атомов кристалла с короткими волнами (X = 1О“¹⁰ ... 10~¹² м) рентгеновских лучей (или волн электронов, нейтронов), можно получить обширную информацию о строении кристаллов.
    Большинство материалов состоит из мелких кристалликов (зерен). Наблюдать такие мелкие структурные составляющие — микроструктуру можно с помощью оптического (до 10—⁷ м) или электронного (до 2-10—¹⁰ м) микроскопа.
    Микроскопические методы дают возможность определить размеры и форму кристаллов, наличие различных по своей природе кристаллов, их распределение и относительные объемные количества, форму инородных включений и микропустот, ориентирование кристаллов, наличие специальных кристаллографических признаков (двойникование, линии скольжения и др.). Это далеко не полное перечисление характеризует обширность тех сведений, которые можно получить при помощи микроскопа.
    Изучая строение кристаллов — макроструктуру — невооруженным глазом или при небол ьших увеличениях с помощью лупы, можно выявить характер излома, усадочные раковины, поры, размеры и форму крупных кристаллов. Используя специально приготовленные образцы (шлифованные и травленые), обнаруживают трещины, химическую неоднородность, волокнистость.
    Исследование макроструктуры, несмотря на свою простоту, является очень денным методом изучения материалов.

1.2. Элементы кристаллографии
1.2.1. Кристаллическая решетка
    В кристалле частицы (ионы, атомы, молекулы), из которых построен кристалл, сближены до соприкосновения и располагаются различно, но закономерно по разным направлениям (рис. 1.2, а). Для упрощения

1.2. Элементы кристаллографии

9

Рис. 1.2. Расположение частиц в кристалле:
в - пространственное изображение; б — схема





пространственное изображение заменяют схемами (рис. 1.2, б), отмечая точками центры тяжести частиц. Кристаллы различаются симметрией расположения частиц.
    Если в кристалле провести три направления т, у, z, не лежащих в одной плоскости, то расстояния между частицами, расположенными по этим направлениям, в общем случае неодинаковы и соответственно равны а, Ь, с.
    Плоскости, параллельные координатным плоскостям, находящиеся на расстоянии а, Ь, с разбивают кристалл на множество параллелепипедов, равных и параллельно ориентированных. Наименьший параллелепипед называют элементарной ячейкой. Последовательное перемещение его образует пространственную кристаллическую решетку. Вершины параллелепипеда называют узлами пространственной решетки. С этими узлами совпадают центры тяжести частиц, из которых построен кристалл.
    Для описания элементарной ячейки кристаллической решетки используют шесть величин: три отрезка, равные расстояниям а, Ь, с до ближайших частиц по осям координат, и три угла а, /3, 7 между этими отрезками.
    Соотношения между этими величинами определяются симметрией, согласно которой все кристаллы подразделяют на семь систем (табл. 1.1).
    Размер элементарной ячейки кристаллической решетки оценивают отрезки а, Ь, с. Их называют периодами решетки.
    В большинстве случаев решетки имеют сложное строение, так как частицы находятся не только в узлах, но и на гранях или в центре решетки (рис. 1.3). О степени сложности судят по числу частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку. В простой пространственной решетке (см. рис. 1.3, а) всегда на одну ячейку приходится одна частица. В каждой ячейке имеется восемь вершин, но каждая частица в вершине относится, в свою очередь, к восьми ячейкам. Таким образом, от узла на долю каждой ячейки приходится 1/8 объема, а всего узлов в ячейке восемь, следовательно, на ячейку приходится одна частица.

Глава 1. Строение и свойства материалов

Таблица 1.1. Кристаллические системы элементов

Система              Ребра     Углы           
Триклинная         аф b / с    “ /   7        
Моноклинная        а / Ь / с   а - р = 90°    
                               у /90°         
Ромбическая         а 6 / с    а-р-у- 90°     
Ромбоэдрическая    а = b ~ с   а = р = у / 90°
Г ексагональная    а = b ф с   а = р = 90°    
                               7 = 120°       
Т етр агональная    а = b с    а = р = 7 = 90°
Кубическая       а --- b --- с а = р = у = 90°

    В сложной пространственной решетке на одну ячейку всегда приходится больше одной частицы. На объемно-центрированную ячейку (см. рис. 1.3, б) приходятся две частицы: одна от вершин и другая центрирующая, которая относится только к данной ячейке. В гранецентрированной ячейке (см. рис. 1.3, в) имеются четыре частицы: одна от вершин и три от шести центрированных плоскостей, так как частица, находящаяся в центре плоскости, относится одновременно к двум ячейкам.
    Система, период и число частиц, приходящихся на элементарную ячейку, полностью определяют расположение частиц в кристалле. Дополнительными характеристиками кристаллической решетки являются координационное число и коэффициент компактности.
    Число ближайших равноудаленных частиц определяет координационное число К. Например, в решетке объемно-центрированного куба (ОЦК)


Рис. 1.3. Типы элементарных ячеек кристаллических решеток:
а - простая; б, в - сложные