Материаловедение и технология конструкционых материалов (стр. 1 )

.Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Омский государственный технический университет»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ
КОНСТРУКЦИОНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Часть I

Материаловедение.
Металлургия и литейное производство

Учебник

Под редакцией доктора технических наук, профессора

Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМОАМ)
в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов
«Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»

Омск 2008

УДК 669.01(075)+620.22(075)

ББК 30.3я73

К 96

Рецензенты:

, д-р техн. наук, проф., СИБАДИ,

, д-р техн. наук, проф., ОмГУПС

Кушнер, В. С.

К96 Материаловедение и технология конструкционных материалов (Часть I): Материаловедение. Металлургия и литейное производство: учеб. для студентов вузов /, , .; под ред. . Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. – 223 с.

В учебнике рассмотрено кристаллическое строение металлов, процессы кристаллизации, пластической деформации, диаграммы состояния двойных систем, механические свойства металлов и сплавов. Большое внимание уделено теории и технологии термической и химико-термической обработки стали. Приведены необходимые сведения о конструкционных, инструментальных и специальных сталях и сплавах, а также сплавах на основе титана, меди, алюминия. Дано описание неметаллических материалов: пластмасс, керамики, стекла, композиционных и других.

Приведены основы металлургического производства чугуна и стали, способы формообразования заготовок в литейном производстве.

Учебник предназначен для студентов машиностроительных направлений и специальностей всех форм обучения.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского государственного технического университета

© Авторы, 2008

© Омский государственный

технический университет, 2008

	ВВЕДЕНИЕ
	Раздел I. Строение и свойства материалов
1.	СТРОЕНИЕ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
1.1.	Агрегатные состояния	7
1.2.	Металлы и их кристаллическое строение	9
1.3.	Реальное строение металлов и дефекты кристаллических решеток	13
1.4.	Строение сплавов	16
1.5.	Основные закономерности процесса кристаллизации, превращения в твердом состоянии, полиморфизм	18
1.6.	Превращения в твердом состоянии. Полиморфизм	22
2.	МЕХАНИЧЕСКИЕ, физические и ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
2.1.	Свойства материалов	24
2.2.	Деформации и напряжения	27
2.3.	Испытание материалов на растяжение и ударную вязкость	30
2.4.	Определение твердости	34
2.5.	Упругая и пластическая деформации, наклеп и рекристаллизация	36
	Тесты для контроля текущих знаний	40
	Раздел II. Структура, свойства и термическая обработка железоуглеродистых сплавов
3.	ДИАГРАММА «ЖЕЛЕЗО–УГЛЕРОД (ЦЕМЕНТИТ)»
3.1	Общий обзор диаграмм состояния	47
3.2.	Компоненты, фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов	51
3.3.	Изменения структуры сталей при охлаждении	55
3.4.	Изменения структуры чугунов при охлаждении	57
3.5.	Классификация и свойства углеродистых сталей	58
3.6.	Классификация и свойства чугунов	62
4.	ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ
4.1.	Влияние нагрева и скорости охлаждения углеродистой стали на ее структуру	69
4.2.	Отжиг углеродистых сталей	77
4.3.	Закалка углеродистых сталей	80
4.4.	Отпуск закаленных углеродистых сталей	86
4.5.	Химико-термическая обработка сталей	88
	Тесты для контроля текущих знаний	92
	Раздел III. Конструкционные и инструментальные материалы
5.	Конструкционные СТАЛи и сплавы
5.1.	Влияние легирующих элементов на структуру, механические свойства сталей и превращения при термообработке	100
5.2.	Маркировка и классификация легированных сталей	105
5.3.	Конструкционные стали	107
5.4.	Коррозионно-стойкие стали	113
5.5.	Жаропрочные стали и сплавы	119
5.6.	Жаростойкие стали и сплавы	125
5.7.	Инструментальные стали и сплавы для обработки материалов резанием	127
5.8.	Инструментальные стали для обработки давлением	131
	Тесты для контроля текущих знаний 137
6.	ТИТАНОВЫЕ, МЕДНЫЕ и алюминиевые СПЛАВЫ
6.1.	Титан и его сплавы	144
6.2.	Медь и ее сплавы	152
6.3.	Алюминий и его сплавы	156
7.	НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
7.1	Полимеры и пластмассы	164
7.2	Резиновые и клеящие материалы	169
7.3	Стекло, ситаллы, графит	170
7.4	Композиционные материалы	173
	Тесты для контроля текущих знаний
	Раздел IV. Способы литья в металлургии и в машиностроении
8.	Производство чугуна и стали
8.1.	Производство чугуна	181
8.2.	Сущность процесса выплавки стали	186
8.3.	Производство стали в мартеновских печах и конвертерах	188
8.4.	Производство и повышение качества сталей и сплавов в электропечах	190
9.	Способы литья
9.1.	Изготовление песчаных литейных форм	194
9.2.	Основные операции получения отливок в песчаных формах	198
9.3.	Закономерности охлаждения отливок в литейных формах	200
9.4.	Литье в оболочковые формы и по выплавляемым моделям	206
9.5.	Литье в металлические формы, под давлением, центробежное литье	209
	Тесты для контроля текущих знаний	217
	Библиографический список

ВВЕДЕНИЕ

Основной задачей дисциплины «Материаловедение и технология конструкционных материалов» является подготовка студентов в области материаловедения, технологии производства и обработки конструкционных материалов, формообразования заготовок и деталей машин.

Разделы I–III посвящены материаловедению. Рассмотрены строение и свойства материалов (в основном, металлов и их сплавов), причем в отличие от традиционного изложения не только механические, но и основные теплофизические свойства; структура, свойства, термическая и химико-термическая обработка железоуглеродистых сплавов; легированные стали и сплавы, сплавы со специальными свойствами (коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные), инструментальные материалы, цветные металлы и сплавы на их основе и неметаллические материалы.

Изучив разделы дисциплины «Материаловедение и технология конструкционных материалов», студент должен знать:

·  основные свойства материалов, обеспечивающих качество технологических процессов и изделий машиностроения, в том числе свойства сплавов со специальными свойствами (коррозионно-стойких, жаростойких и жаропрочных сплавов, а также инструментальных материалов);

·  влияние свойств материалов на ресурсосбережение и надежность изделий, технологических процессов и средств автоматизации;

·  основные типы кристаллических решеток и их дефектов, структуру сплавов, общие закономерности диаграмм фазового равновесия и диаграмму «Железо – цементит»;

·  способы термической, химико-термической обработки; основные способы упрочнения металлов и сплавов;

·  классификацию металлов, сплавов и неметаллических материалов.

Студент должен владеть:

· методами определения оптимальных и рациональных режимов термообработки, упрочнения материалов;

· методами анализа причин возникновения дефектов в материалах;

· методами проведения стандартных испытаний по определению показателей физико-химических свойств используемых материалов и готовых изделий;

· методами определения качества и состояния сплавов на основании анализа их структуры.

Раздел IV учебника посвящен металлургии и литейному производству. В начале раздела приводятся теоретические сведения, необходимые для анализа физической сути рассматриваемых процессов. Рассмотрение химических превращений и реакций позволило охарактеризовать суть процессов восстановления железа из руд при выплавке чугуна и снижения содержания углерода и примесей при выплавке стали. Процессы затвердевания и кристаллизации металла и строение слитка объяснены на основе анализа закономерностей отвода тепла в изложницу, или литейную форму.

Изучая этот раздел, студент должен иметь представления об основных закономерностях теплообмена в твердых телах, об уравнении теплопроводности и теплофизических характеристиках материалов, о закономерностях выравнивания температуры и описании их методом точечных источников, в частности о температуре стержня с постоянной температурой на торце; знать характеристики технологических процессов и оборудования, применяющихся в металлургическом и машиностроительном производствах для получения металлов и сплавов, методы расчета энергетических затрат, количественной оценки времени остывания отливок или слитков с помощью ЭВМ, основные направления повышения качества отливок и производительности металлургического и литейного производства; уметь проектировать заготовки, получаемые литьем, выбирать рациональные технологии и оценивать затраты энергии и времени, связанные с производством отливок.

По каждому из разделов дисциплины приведены тесты для текущего контроля знаний, ориентированные на содержание данного учебника и охватывающие вопросы, традиционно рассматриваемые в аналогичных разделах других учебников.

Раздел I. Строение и свойства материалов

1. СТРОЕНИЕ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА
МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

1.1. Агрегатные состояния

Все вещества в зависимости от температуры и давления могут находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Диаграмма состояния вещества в зависимости от давления и температуры

В газообразном состоянии частицы вещества не связаны между собой молекулярными силами притяжения и хаотически движутся, заполняя весь возможный объем. При обычных давлениях и температурах среднее расстояние между молекулами в газах примерно в десять раз больше, чем в твердых телах и жидкостях. Поэтому газы имеют значительно меньшие плотности, чем твердые тела и жидкости. При обычных температурах газы – хорошие диэлектрики, так как их атомы и молекулы электрически нейтральны.

При нагреве газа до высоких температур происходит его ионизация: концентрация заряженных частиц увеличивается, причем объемные плотности положительных и отрицательных электрических зарядов заряженных частиц становятся практически одинаковыми. Термически ионизированный газ отличается от обычного газа рядом особенностей, позволяющих считать его четвертым (после твердого, жидкого и газообразного) состоянием вещества – плазмой. В технике широкое применение получила «холодная» или низкотемпературная плазма (~103–104 К).

Жидкости представляют собой вещества в конденсированном агрегатном состоянии, промежуточном между твердым и газообразном. Жидкости подобно твердым телам обладают малой сжимаемостью и большой плотностью, но в то же время подобно газам не обладают упругостью формы и легко текут. В жидкостях среднее расстояние между молекулами сравнимо с размерами самих молекул (~10 Нм = 10–10 м) и силы межмолекулярного взаимодействия весьма значительны. Подобно частицам твердого тела молекулы жидкости совершают тепловые колебания около некоторых положений равновесия. Однако, если в твердых телах эти положения равновесия неизменны (т. е. имеет место дальний порядок), то в жидкостях они время от времени изменяются: по истечении некоторого времени молекула жидкости перескакивает в новое положение равновесия, перемещаясь на расстояние, сравнимое с расстоянием между молекулами. Эти перемещения молекул жидкости обусловливают ее текучесть. Таким образом, несмотря на то, что в жидкостях не соблюдается дальний порядок, как у твердых тел, для них имеет место «ближний порядок»: в среднем для каждой молекулы жидкости число ближайших соседей и их взаимное расположение одинаковы.

В твердом состоянии физические тела характеризуются стабильностью формы. При изменении формы в твердых телах возникают упругие силы, препятствующие этому изменению. В твердых телах элементарные частицы (атомы, молекулы или ионы) совершают малые тепловые колебания около некоторых фиксированных положений равновесия, т. е. имеет место «дальний порядок», вследствие которого элементарные частицы твердого тела могут располагаться по узлам кристаллических решеток.

Таблица 1.1

Плотность, теплоемкость, температура плавления

и теплота плавления некоторых металлов

Металл	Плотность, 103 кг/м3	Теплоемкость, кДж/(кг*град) при 20 °С	Температура плавления, qпл , °С	Теплота плавления, L, кДж/кг
Алюминий	1,738	0,88	658,7	0,32–0,39
Вольфрам	19,35	0,24	3420	–
Железо	7,874	0,45	1539	0,293
Кобальт	8,90	0,45	1493	–
Магний	1,848	1,3	651	0,373
Медь	8,96	0,39	1083	0,214
Никель	8,91	0,46	1453	0,24–0,30
Олово	7,29	0,23	231,9	0,059
Свинец	11,35	0,13	327,3	0,0225
Сталь	7,7–7,9	0,46	1300–1400	0,205
Чугун	7,0	0,5	1100–1200	0,096–0,14

В чистых металлах при повышении температуры происходит изменение агрегатного состояния: при превышении температуры плавления твердое состояние сменяется жидким, при превышении температуры кипения жидкое состояние переходит в газообразное. Эти температуры перехода зависят от давления.