ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Томский политехнический университет»

Е. П. Чинков, А. Г. Багинский

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Учебное пособие

Второе издание, исправленное и дополненное

Издательство ТПУ

Томск 2009

УДК 620.22

Чинков Е. П., Багинский А. Г.

Материаловедение и технология конструкционных материалов:

Учебное пособие. – 2-е изд., испр. и доп. –Томск: Изд-во ТПУ,

2009. –180 с.

В учебном пособии в краткой форме изложены закономерности формирования структуры и свойств металлических и неметаллических материалов, используемых в машиностроении. Большое внимание уделено фундаментальным основам теории и технологии термической обработки металлических материалов. Изложены основы технологии литейного производства, обработки давлением, сварки, механической обработки.

Учебное пособие соответствует программе дисциплины и предназначено для студентов немашиностроительных специальностей.

Пособие написано на основе лекций, прочитанных авторами на кафедре «Материаловедения и технологии металлов» ТПУ студентам дневной формы обучения.

УДК 620.22

Рекомендовано к печати Редакционно-издательским советом

Томского политехнического университета

Рецензенты:

Б. П. Гриценко – доктор технических наук, профессор

старший научный сотрудник Института физики

прочности и материаловедения СО РАН;

Н. В. Коробейников – главный инженер ООО «Томский

инструментальный завод».

© Томский политехнический университет, 2009

Введение

Получение, разработка новых материалов и способы их обработки являются основой современного производства, уровень развития которого определяет научно-технический и экономический потенциал страны. Проектирование конкурентно-способных изделий, организация их производства невозможны без достаточного уровня знаний в области материаловедения и технологии конструкционных материалов.

Материаловедение – наука о строении и свойствах металлических и неметаллических материалов, их взаимосвязи и возможности изменения для рационального использования в технике.

Разнообразие свойств материалов является главным фактором, предопределяющим их широкое применение в технике. В современной технике имеется огромное количество различных устройств, машин и механизмов, строительных конструкций, приборов, оборудования и инструментов, которые работают в жестких условиях износа, а также воздействия высоких нагрузок, агрессивных сред, высоких и низких температур. Для того чтобы обеспечить их работоспособность, надежность и долговечность, инженер должен иметь представление о возможности формирования необходимых свойств современных материалов, уметь ориентироваться во множестве вариантов и владеть основами знаний, необходимых при выборе материала для конкретных деталей и изделий. Кроме того, инженер должен знать возможности прогнозирования необходимых свойств используемых материалов и изготавливаемых из них деталей и изделий.

Технология конструкционных материалов – совокупность знаний о современных методах обработки конструкционных материалов, об оборудовании, применяемом для получения деталей машин с необходимой точностью и качеством, и о рациональном их использовании.

При конструировании машин и оборудования инженер должен иметь представление о взаимосвязи конструкции изделия с технологией ее изготовления. Знать технологические методы получения и обработки заготовок и деталей машин, области их рационального применения, представлять технологические возможности типового оборудования используемого на своем предприятии. Уметь правильно выбрать метод изготовления заготовок и деталей машин в соответствии с требованиями к точности и качеству, и обязательно с учетом условий последующей эксплуатации готового изделия. Уметь выполнить сравнительный анализ различных вариантов технологического процесса.

1. Строение и свойства материалов

1.1. Классификация материалов

Материал – вещество (совокупность веществ), из которого изготовлено техническое изделие, имеющее функциональное значение.

Конструкционные материалы – материалы, из которых изготовляются детали машин, конструкций, работающих под нагрузкой. Эти материалы классифицируются: по природе – на металлические, неметаллические и композиционные и др.; по технологическому признаку – на деформируемые, литые, спекаемые, свариваемые и др.; по условиям работы – на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионностойкие, износостойкие и др.; по прочности – на материалы малой, средней и высокой прочности.

Металлические материалы классифицируются: по системам сплавов – на алюминиевые, медные, никелевые сплавы, сплавы на железной основе и др.; по типу упрочнения – на закаливаемые, цементуемые, азотируемые и др.; по структурному составу – на однофазные, двухфазные, многофазные. Черные металлы – железо и сплавы (стали, чугуны) с содержанием железа не менее 50 %. Цветные – металлы и их сплавы, имеющие естественную окраску (медь, алюминий, титан и др.). Благородные – золото, серебро, платина и др. Редкоземельные – лантан, неодим, празеодим и др.

Неметаллические материалы подразделяют по изомерному составу и технологическому исполнению (прессованные, тканые, намотанные, формованные и др.), по типам наполнителей (армирующих элементов) и характеру их размещения и ориентации. Пластмассы – материалы на основе высокомолекулярных соединений – полимеров, чаще всего с добавками. Керамические материалы (керамики) – порошки тугоплавких соединений: карбиды, окислы, нитриды, бориды. Керамико-металлические – керамики с добавлением металлической связки. Стекла – окислы различных элементов. Резина – материал на основе каучука – углеродно-водородного полимера с добавлением серы и других элементов. Древесина – органическая ткань древесных растений.

Композиционные материалы состоят из металлической или неметаллической матрицы (основы) с заданным распределением в ней упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.). Подразделяются на: дисперсноупрочненные, полученные введением в металлическую матрицу дисперсных частиц упрочнителей; волокнистые, упрочненные непрерывными волокнами и нитевидными кристаллами; слоистые, созданные путем прессования, прокатки разнородных материалов.

Рождение материала происходит в направлении усложнения структуры (рис. 1.1) и отражает определенные уровни его строения. Вещества состоят из атомов и молекул. Атом состоит из ядра и электронов. Силы, связывающие электроны и атомные ядра в атомах, атомы в молекулах, имеют электромагнитную природу.

Движущими силами объединения частиц вещества (твердого, жидкого, газообразного) являются силы взаимного притяжения и отталкивания. Процесс рождения материала осуществляется в направлении

плазма  газ  жидкость  твердое тело

(атом  молекула  вещество)

на каждом этапе сопровождается уменьшением энергии системы, и поэтому развивается самопроизвольно. Наибольшим запасом энергии вещество обладает в состоянии плазмы. При разрушении (диспергировании) вещества процесс идет в обратном направлении и сопровождается поглощением энергии.

Л юбой материал есть сложная физико-химическая система. В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы.

Система – группа тел, выделяемых для наблюдения и изучения. Компоненты – минимальное число химически различимых веществ, образующих систему (чистые вещества и химические соединения).

Фаза – совокупность однородных частей системы, отделенных от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства, структура и химический состав резко изменяются.

Твердое тело является одним из агрегатных состояний вещества. Оно отличается от других агрегатных состояний (жидкости, газов, плазмы) стабильностью формы. Твердые тела могут быть аморфными и кристаллическими. Аморфное твердое тело можно рассматривать как жидкость с очень большой вязкостью. У кристаллических тел, в отличие от аморфных, присутствует дальний порядок в расположении атомов.

Классификация твердых тел по типу связи.

Химическая связь образуется за счет электростатического взаимодействия между заряженными частицами: катионами и анионами, ядрами и электронами. Энергия химической связи неодинакова для разных твердых тел. Химические связи в кристаллах подразделяются на ковалентные, ионные, металлические и молекулярные. Ионная связь возникает в результате полного или частичного обмена валентными электронами, ковалентная – при частичном обмене. Металлическая связь по природе ковалентная, но обобществляется множество электронов. Силы Ван-дер-Ваальса возникают без обмена зарядами.

Ковалентная (гомеополярная) связь возникает между нейтральными соседними атомами за счет перекрытия их электронных облаков. Обычно она осуществляется двумя электронами с противоположно направленными спинами. В пространстве между ядрами атомов электроны создают состояния с повышенной электронной плотностью. Образовавшийся отрицательный заряд между ядрами стремится приблизить их. Если электронная плотность расположена симметрично между атомами, то ковалентная связь называется неполярной. Если электронная плотность смещена в сторону одного из атомов, то ковалентная связь называется полярной. Одно из существенных свойств ковалентной связи – насыщаемость. При ограниченном числе внешних электронов между ядрами образуется ограниченное число электронных пар вблизи каждого атома (ограниченное число химических связей). Другое важное свойство ковалентной связи – направленность в пространстве. Это проявляется в примерно одинаковом геометрическом строении близких по составу химических частиц. Особенность ковалентной связи – поляризуемость. Энергия ковалентной связи – сотни килоджоулей на моль. Ковалентные кристаллы – в основном полупроводники и диэлектрики.

Ионная связь образуется за счет кулоновского (электростатического) взаимодействия противоположно заряженных ионов. Такую связь называют ионной или гетерополярной. Взаимодействие между катионами и анионами не зависит от направления. Об ионной связи говорят как о ненаправленной. Каждый катион может притягивать любое число анионов, и наоборот. Ионная связь является ненасыщенной. Число взаимодействий между ионами в твердом состоянии ограничивается лишь размерами кристалла. В ионных кристаллах не существует отдельных молекул. «Молекулой» ионного соединения следует считать весь кристалл. Например, в кристалле поваренной соли NaCl каждый положительно (отрицательно) заряженный ион натрия (хлора) окружен соответствующим числом отрицательно (положительно) заряженных ионов хлора (натрия). Ионная связь – сильная связь с энергией от сотен до десятков тысяч килоджоулей на моль. Поэтому твердые тела с ионной связью имеют высокие температуры плавления. Ионные кристаллы – в основном диэлектрики, прозрачны в широком диапазоне частот.

Идеальной ионной связи практически не существует. Даже в тех соединениях, которые относят к ионным, не происходит полного перехода электронов от одного атома к другому и электроны частично остаются в общем пользовании. Так, связь в кристалле фторида лития LiF на 80 % ионная, на 20 % – ковалентная. Поэтому правильнее говорить о степени ионности (полярности) ковалентной химической связи.

Металлическая связь. Атомы металлов отличаются от атомов других элементов тем, что слабо удерживают свои внешние электроны. В кристаллической решетке металла эти электроны покидают свои атомы, превращая их в положительно заряженные ионы. Связь возникает вследствие взаимодействия положительных ионов решетки с электронным газом: электроны, находящиеся между ионами стремятся приблизить их друг к другу, уравновешивая силы отталкивания. Межатомные расстояния в металлах больше, чем в их соединениях с ковалентной связью. Энергия металлической связи сравнима с энергией ковалентной связи. Благодаря наличию свободных, не связанных с определенными атомами электронов, металлы хорошо проводят электрический ток и тепло. При нагревании металла колебания катионов усиливаются. Электронам труднее продвигаться между ними, поэтому электрическое сопротивление металла увеличивается.

Металлическая связь существует не только в твердых кристаллах металлов, но и расплавах и аморфном состоянии. Металлическая связь имеет признаки, характерные как для ковалентной, так и для ионной связи. В кристаллах металлов атомы ионизированы не полностью, часть валентных электронов остается связанной. В результате возможно появление ковалентных связей между соседними атомами. Вклады ионной и ковалентной составляющей обнаружены во многих металлах.

Молекулярная связь. Взаимодействие молекул между собой не приводит к разрыву или образованию новых химических связей. В их основе также лежат электрические взаимодействия. В узлах кристаллической решетки находятся определенным образом ориентированные нейтральные молекулы. Они связаны слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, которые включают все виды межмолекулярного притяжения и отталкивания. Полярные молекулы, в которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов не совпадают (HCl, H₂O, NH₃), ориентируются так, чтобы рядом находились концы с противоположными зарядами. Между ними возникает ориентационное взаимодействие – притяжение. Индукционное взаимодействие возникает между полярными и неполярными молекулами. Неполярная молекула становится полярной (поляризуется), молекулы начинают притягиваться друг к другу, только слабее, чем в случае полярных молекул. Дисперсионное взаимодействие возникает между неполярными молекулами. Находясь в постоянном движении, электроны создают состояния с повышенной электронной плотностью с одной стороны молекулы, т. е. неполярная молекула станет полярной. Это вызывает перераспределение зарядов в соседних молекулах, между ними устанавливаются кратковременные связи. Если бы молекулы только притягивались друг к другу, то это привело бы к их слиянию. Но на очень малых расстояниях их электронные оболочки начинают отталкиваться – межмолекулярное отталкивание.

Типичные кристаллы с молекулярной связью – O₂, N₂, CO₂, H₂O в твердом состоянии (при низких температурах). В электрическом отношении молекулярные кристаллы являются диэлектриками.

В реальных кристаллах рассмотренные выше связи в чистом виде встречаются редко. Практически всегда имеет место наложение связей. Одна из них имеет превалирующее значение, определяя структуру и свойства твердого тела.