Технология конструкционных материалов

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ - БАКАЛАВРИАТ серия основана в 1 996 г.




Б.А. МАТЮШКИН
В.И. ДЕНИСОВ




ТЕХНОЛОГИЯ
КОНСТРУКЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ


УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ


Рекомендовано
                          Межрегиональным учебно-методическим советом профессионального образования в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по укрупненной группе специальностей и направлений 15.03.00 «Машиностроение» (квалификация (степень) «бакалавр») (протокол № 2 от 28.01.2019)



            znanium.com


электронно-библиотечная система

Москва ИНФРА-М 2024

УДК 621(075.8)
ББК 34.4я73

    М35


      Авторы:
         Матюшкин Борис Андреевич, доктор технических наук, профессор, ведущий специалист Федерального научного агроинженерного центра ВИМ — разделы I—III;
         Дениовв Виктор Иванович| (1963—2018), ведущий инженер Федерального научного агроинженерного центра ВИМ — раздел IV

      Рецензенты:
         Латыпов Р.А., доктор технических наук, профессор кафедры «Оборудование и технологии сварочного производства» Московского политехнического университета;
         Быков В.В., доктор технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения» Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана

      Матюшкин Б.А.
М35 Технология конструкционных материалов : учебное пособие / Б.А. Матюшкин, В.И. Денисов. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 263 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/ textbook_5c6e41f42140f8.07192219.

         ISBN 978-5-16-014645-4 (print)
         ISBN 978-5-16-107144-1 (online)

         В учебном пособии подробно раскрыты следующие темы: основы металловедения и термической обработки, легированные стали и сплавы, основы литейного производства, обработка металлов давлением, основы сварочного производства и электродуговой сверхзвуковой металлизации, пайка и клеевые соединения металлов, сплавов и неметаллов, основы обработки металлов резанием, особенности изготовления машин и оборудования пищевых производств, основы электрофизической и электрохимической обработки материалов в производстве пищевого оборудования, неметаллические материалы и основы технологии изготовления деталей.
         В пособии нашли отражение достижения последних лет в соответствующих областях науки и техники. Подробно изложены основы технологий электродуговой сверхзвуковой металлизации, плазменной сварки закрытой сжатой дугой, сварки титана импульсной дугой, формования тонкостенных деталей с поперечными гофрами. Приведены технико-экономические преимущества различных видов производств.
         Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
         Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки «Машиностроение».


УДК 621(075.8)
ББК 34.4я73


ISBN 978-5-16-014645-4 (print)
ISBN 978-5-16-107144-1 (online)


© Матюшкин Б.А., Денисов В.И., 2019

            Предисловие



   Учебное пособие написано в соответствии с государственным образовательным стандартом для механических специальностей немашиностроительных вузов и рабочей программой по дисциплине «Технология конструкционных материалов» для студентов бакалавриата, обучающихся по направлению «Машиностроение».
   В пособии подробно раскрыты процессы горячей и холодной обработки металлов, включая термическую обработку, литейное производство, обработку металлов давлением, основы сварочного производства и пайки, электродуговую сверхзвуковую металлизацию. Особое внимание уделено технологии восстановления рабочих поверхностей типовых деталей машин методом напыления.
   Приведены необходимые сведения о структуре и свойствах сплавов, кристаллизации, пластической деформации, термической обработке, которые являются теоретической основой для изучения разделов по основным видам горячей и холодной обработки. В учебном пособии нашли отражение последние достижения науки и техники в области обработки и получения многослойного покрытия поверхности со специальными свойствами по износу, коррозионной стойкости. Учтены достижения в развитии средств автоматизации производства и широкое использование вычислительной и микропроцессорной техники, что обеспечило создание новой системы управления оборудованием и производством.
   В учебном пособии рассмотрен и предложен инновационный метод электродуговой металлизации (ЭДМ) на основе принципа моделирования процесса путем изменения содержания компонентов в смеси при помощи двух металлизаторов.
   Для образования прочного соединения между частицами наносимого металла и подложкой необходимо условие, реализация которого осуществляется под действием тепловой и кинетической энергии частиц. При повышении электрической мощности струя воздушного потока должна обладать определенным запасом кинетической энергии. Для обеспечения такого запаса был применен способ нанесения покрытий металлизатором со сверхзвуковым истечением воздушного потока, что позволяет увеличить кинетическую энергию напыляемых частиц. Использование двух металлиза-торов со сверхзвуковым истечением потока воздуха позволяет увеличить твердость и плотность наносимого слоя, адгезионно-когезионную прочность и износостойкость.

3

   Необходимо также учитывать, что технологические возможности ЭДМ позволяют восстанавливать изношенные поверхности на стальных и чугунных деталях, работающих в условиях трения скольжения. Однако дальнейшее развитие сварочной металлургии, а значит, и техники нанесения электродугового покрытия, диктует необходимость углубленных знаний в области термодинамических реакций и структурных изменений при напылении и формировании покрытия.
   В учебном пособии изложены результаты исследований, имевших такие цели, как:
   1)   изучение процесса формирования электродугового металли-зационного слоя на основе принципа моделирования процесса в условиях изменения содержания компонентов в смеси при помощи двух металлизаторов;
   2)   изучение механизма взаимодействия металлических частиц на базе применения сверхзвукового режима напыления и его положительный эффект на механические свойства многокомпонентных покрытий;
   3)   изучение кинетики изменения микроструктуры при формировании многокомпонентных покрытий, также были учтены условия окислительных реакций.
   Четвертый раздел учебного пособия посвящен электродуговым металлизаторам и построен на материалах исследований, выполненных коллективом лаборатории «Восстановление и упрочнение деталей газотермическим методом» под научным руководством Б.А. Матюшкина и В.И. Денисова.
   В результате изучения материалов пособия студент должен: знать
• каким образом с помощью технологии электродуговой металлизации получают комбинированные покрытия с псевдосплавной структурой;
• механизм взаимодействия металлических частиц на основе применения сверхзвукового режима напыления и его положительное влияние на механические свойства многокомпонентных покрытий;
   уметь
• использовать металлизаторы со сверхзвуковым истечением потока воздуха для увеличения твердости и плотности наносимого слоя, адгезионно-когезионной прочности и износостойкости;
   владеть
• методом электродуговой металлизации на основе принципа моделирования процесса путем изменения содержания компонентов в смеси при помощи двух металлизаторов.

4

                Раздел I
                ОБЩИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ В ПИЩЕВОМ МАШИНОСТРОЕНИИ





Глава 1


            ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ



1.1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ.

        ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ FE — C И МИКРОСТРУКТУРЫ

   Металловедение — это наука о строении и свойствах металлов и их сплавов. Характерным признаком металлов или металлических материалов является их специфический блеск и непрозрачность, а также повышенная электропроводность и теплопроводность. Эти признаки обусловлены особенностями внутреннего строения атомов металлов и их взаимного сочетания, которые отличают их от других тел — неметаллических¹.
   Строение сплава определяет его свойства, поэтому важно знать, как это строение будет меняться при изменении температуры и состава сплава. Зависимость между строением сплава, его составом и температурой определяется при помощи диаграмм состояния (равновесия).
   Диаграммы состояния строятся экспериментально по критическим точкам, полученным на кривых охлаждения сплавов данной системы. По диаграмме состояния можно определить для конкретного сплава температуры кристаллизации и превращений в твердом состоянии, структуру при заданной температуре. Это позволяет примерно оценить механические, физические и химические свойства сплава и правильно назначить режимы термической обработки, обработки давлением и сварки. Диаграммы состояния для случая кристаллизации механической смеси чистых компонентов А и В изображены на рис. 1.1 слева и справа от диа

¹ Дальский А.М., Барсукова Т.М., Бухаркин Л.Н. Технология конструкционных материалов. 5-е изд., испр. М.: Машиностроение, 2004. С. 7—24.

5

граммы. В отличие от чистых компонентов все сплавы, за небольшим исключением, кристаллизуются в интервале температур.
   К числу черных металлов относят железо и его сплавы; важнейшими из этих сплавов являются сталь и чугун. Эти сплавы состоят из двух основных компонентов: железа (Fe) и углерода (С), поэтому их с известным приближением можно рассматривать как двойные сплавы (Fe — С).

D

Аустенит + Феррит Феррит
Феррит + цементит (третичный)

Жидкость + феррит

— Аустенит

Феррит
Феррит + Аустенит

1600
1539
1500 :

1200

1100

768

M

727

700

600

лит

Q 0,8 1

2 2,14 3

1400
  N
1300

1000
911
900

AH
B

!ФЧ§ |рит + с_ пер-

Цементит-*- Перлит +
    +     | Цементит +
Перлит | Ледебурит

1392

Жидкость

Жидкость + Аустенит

1147

F

Жидкость + цементит .
(первичный)

Аустенит +
      I Цементит + j— Ледебурит Аустенит +
Цементит __________

0 Ss (вторичный)

Цементит + Ледебурит

Цементит + Ледебурит __।_____।__

4 4,3 5

6 6,67 7 %C

J

K

L

           I__I__I__I__I__I__I__I__I___I_I_
           0102030405060708090100%Fe3C

Рис. 1.1. Диаграмма состояний (Fe — С)

  Сплавы железа с углеродом, содержащие 2,14% углерода, условно называются сталями. Все стали при высоких температурах имеют структуру аустенита и его свойства, т.е. определяются свойствами аустенита, который обладает хорошей пластичностью, а стали при этом легко обрабатываются давлением при повышенных температурах.
  При увеличении содержания углерода до 2,14% в структуре появляется твердая и хрупкая ледебуритная эвтектика, и обрабатываемость сплавов давлением становится невозможной.

6

   Понижение температуры вызывает ряд превращений аустенита, вследствие которых он перестает существовать. На рис. 1.1 изображена диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов, имеющая большое практическое значение.
   Железоуглеродистые сплавы в зависимости от температуры и концентрации углерода изменяют фазовый состав и структурные составляющие (рис. 1.2, а, б).

Перлит

Цементит

                                  Перлит


                                   Феррит


                                       Графит

Перлит

Феррит

Феррит

б

Рис. 1.2. Микроструктура железоуглеродистого сплава Fe — C

Перлит

   Аустенит — твердый раствор углерода в Y-железе с предельной концентрацией углерода 2,14% при температуре 1147°С; с понижением температуры до 727°С концентрация углерода уменьшается

7

до 0,8%; сталь со структурой аустенита имеет высокие пластичность и вязкость. Аустенит немагнитен.
   Феррит — твердый раствор углерода в a-железе с предельной концентрацией углерода 0,02% при температуре 727°С; сталь со структурой феррита ферромагнитна вплоть до температуры 770°С, имеет малую твердость и высокую пластичность.
   Цементит — химическое соединение железа с углеродом (6,67% С); ферромагнитен до температуры 210°С и имеет высокую твердость и хрупкость.
   Перлит — механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита, образующаяся при эвтектоидном распаде аустенита (0,8% С); сталь, имеющая структуру перлита, ферромагнитна, обладает повышенной прочностью и твердостью.
   Ледебурит (4,3% С) — механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита; ниже температуры 727°С аустенит превращается в перлит, при этом образуется смесь перлита и цементита — превращенный ледебурит.
   Графит — углерод в свободном состоянии, образующийся в чугунах в результате распада цементита при медленном охлаждении. Графит немагнитен, мягок и обладает низкой прочностью.
   Основные свойства сплава системы Fe — С определяются содержанием углерода. Взаимодействие углерода с а- или Y-модификациями железа приводит к образованию железоуглеродистых сплавов, различных по строению и свойствам. Построение диаграммы состояния Fe — С (цементит) дает представление о температурах и концентрационных границах существования этих сплавов.
   На диаграмме (см. рис. 1.1) линия ABCD — линия ликвидуса, выше нее сплав находится в жидком состоянии.
   При температурах, соответствующих линии AECF — линия солидуса, ниже нее сплав находится в твердом состоянии. При температурах, соответствующих линии AECF, заканчивается первичная кристаллизация. В точке С при концентрации углерода 4,3% образуется эвтектика, которая носит название ледебурит. Линия PSK — линия эвтектоидного превращения, на которой заканчивается процесс вторичной кристаллизации. Линия PS — линия нижних критических точек A; GSE — начало процесса вторичной кристаллизации твердого раствора; GS — линия верхних критических точек A, показывает температуру начала выделения феррита из аустенита; SE — линия верхних критических точек A, она показывает температуру начала выделения вторичного цементита и является линией, определяющей предельную растворимость углерода в аустените.

8

   Сплавы, содержащие до 2,14% С, условно называют сталями. Сталь, содержащая 0,8% С, называется эвтектоидной сталью; сталь, содержащая менее 0,8% С, — доэвтектоидной; сталь, содержащая более 0,8% С, — заэвтектоидной.
   Кроме углерода сталь содержит небольшие количества марганца, кремния, серы и фосфора. Их содержание в стали: 0,3—0,7% Mn; 0,2-0,4% Si; 0,01-0,05% S; 0,01-0,05% Р.
   Кремний и марганец попадают в железоуглеродистый сплав при его выплавке и в процессе раскисления. Кремний повышает текучесть и уменьшает склонность к хладоломкости. Марганец образует твердый раствор с железом и немного повышает твердость и прочность феррита.
   Фосфор ухудшает пластические свойства сплава, вызывая явления хладноломкости. Его содержание в стали не должно превышать 0,08%. В чугуне допускается до 0,3% Р.
   Азот, кислород и водород присутствуют в сплавах в составе оксидов FeO, SiO₂, Al₂O₃, нитридов Fe₄N или в свободном состоянии, при этом они располагаются в дефектных местах в виде молекулярного и атомарного газов. Оксиды и нитриды служат концентраторами напряжений и могут снижать механические свойства (прочность, пластичность).
   Водород растворяется в стали при расплавлении. При охлаждении сплава растворимость водорода уменьшается, он накапливается в микропорах под высоким давлением и может стать причиной образования трещин.
   Уникальное сочетание высокой прочности и твердости с хорошей пластичностью, вязкостью и обрабатываемостью, не встречающееся у других материалов, стало причиной использования металлов в качестве основного конструкционного материала во всех областях техники.
   Свойства металлов и сплавов определяются их внутренним строением или структурой, типом кристаллов, из которых они состоят, формой и размером этих кристаллов и их взаимным расположением. Представления о строении и свойствах данного сплава могут быть получены при помощи диаграмм состояний, а более детальное — при использовании специальных методов исследований и испытаний: металлографических, механических и т.п. При одном и том же химическом составе сплав, в зависимости от условий кристаллизации и технологической обработки, может иметь разную структуру, а следовательно, и свойства.
   Все металлы имеют кристаллическое строение, их атомы располагаются в пространстве упорядоченно, образуя кристаллическую решетку (рис. 1.3).

9

аб

Рис. 1.3. Кристаллическая решетка: а — хлорид натрия; б — металл

   В кристаллической решетке металла все узлы заняты одинаковыми атомами (ионами), которые удерживаются на своих местах мощными силами межатомного взаимодействия. Нужны значительные механические усилия, чтобы нарушить и деформировать структуру кристалла. В идеальном кристалле силы взаимодействия могут быть определены, и на их основе вычислена механическая прочность такого кристалла (как металлического, так и неметаллического). Прочность идеального кристалла и реального значительно различается. Причина такого различия теоретической и практической прочности заключается в том, что структура реальных кристаллов далека от совершенства вследствие различных нарушений геометрической правильности строения.
   Атомы в кристалле металла соединены металлической связью, при которой взаимодействие между положительно заряженными ионами и отрицательными электронами определяется межатомной силой, что обеспечивает единство кристалла.
   Кристаллическая структура металлов характеризуется типом кристаллической решетки, которую принято изображать в виде точек, соответствующих положению атомов, соединенных воображаемыми линиями. Тип кристаллической решетки определяется при помощи рентгеноструктурного анализа. В кристалле можно провести большое количество плоскостей, проходящих через атомы, расположенные в узлах кристаллической решетки (рис. 1.4). Силы взаимодействия между этими плоскостями будут различными и зависят от плотности расположения атомов и межплоскостных расстояний. Поэтому физические и механические свойства кристалла зависят от направления, в котором их определяют. Это явление на


10