Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Основы материаловедения. Конструкционные материалы: Учебное пособие

Голосов: 1

Пособие составлено, преимущественно, на основе материалов различных авторов: учебников, монографий, статей и пособий. В учебном пособии в краткой форме изложены классификация конструкционных материалов по их природе, методы анализа строения и свойств материалов, атомно-кристаллическое строение и фазово-структурный состав основных конструкционных материалов. Представлены металлические, керамические материалы, пластмассы и композиты, наиболее широко используемые в промышленности. Описаны методы воздействия на строение материалов с целью получения оптимальных эксплуатационных свойств. Подготовлено на кафедре материаловедения и технологии металлов Томского политехнического университета и предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 140600 "Электротехника, электромеханика и электротехнологии" и 140200 "Электроэнергетика".

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
             ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
       «ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»




               Ж.Г. Ковалевская, В.П. Безбородов




              ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ.
           КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ



              Рекомендовано в качестве учебного пособия
                 Редакционно-издательским советом
               Томского политехнического университета




                            Издательство
               Томского политехнического университета
                                2009


         УДК 620.22
         ББК 30.3я73
              К 562

        Ковалевская Ж.Г., Безбородов В.П.
             Основы       материаловедения.  Конструкционные
К 562   материалы: учебное пособие / Ж.Г. Ковалевская, В.П.
        Безбородов. – Томск: Изд-во Томского политехнического
        университета, 2009. – 110 с.

             Пособие составлено, преимущественно, на основе материалов
        различных авторов: учебников, монографий, статей и пособий. В
        учебном пособии в краткой форме изложены классификация
        конструкционных материалов по их природе, методы анализа строения
        и свойств материалов, атомно-кристаллическое строение и фазово-
        структурный состав основных конструкционных материалов.
        Представлены металлические, керамические материалы, пластмассы и
        композиты, наиболее широко используемые в промышленности.
        Описаны методы воздействия на строение материалов с целью
        получения оптимальных эксплуатационных свойств.
             Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям
        140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» и
        140200 «Электроэнергетика».
                                                            УДК 620.22
                                                            ББК 30.3я73

                                 Рецензенты

          доктор физико-математических наук, профессор ТГАСУ
                            Ю. П. Шаркеев

            доктор технических наук, профессор, руководитель
           Межотраслевого научно-технического центра «Сварка»
                              Ю.Н. Сараев




                            © Ковалевская Ж.Г., Безбородов В.П., 2009
                            © Томский политехнический университет, 2009
                            © Оформление. Издательство Томского
                              политехнического университета, 2009


                           ВВЕДЕНИЕ

     Основная задача учебного пособия – помочь студентам
сформировать представление о конструкционных материалах, способах
и технологии их получения и обработки, структуре и свойствах,
методах оценки качества.
     В пособии дана классификация основных конструкционных
материалов, используемых в современном производстве. Описываются
строение металлов и сплавов на их основе, дефекты кристаллического
строения и способы, позволяющие осуществлять упрочнение
материалов. Представлены двойные диаграммы состояния сплавов.
Отдельный раздел посвящен основным металлическим сплавам,
используемым в производстве, в том числе сталям, чугунам, сплавам на
основе алюминия, титана, меди. Неметаллические материалы также
вынесены в отдельный раздел. В него входит описание строения,
свойств и областей применения полимеров, керамических материалов и
композитов. Внимание уделено новым направлениям в развитии
материаловедения – созданию аморфных, монокристаллических и
нанокристаллических материалов.
       Авторы благодарят за предоставление иллюстративного
материала сотрудников кафедры Материаловедения и технологии
конструкционных       материалов     Томского      политехнического
университета О.М. Утьева, Н.В. Мартюшева, И.А. Хворову, Е.П.
Чинкова,     сотрудников    Института      физики     прочности    и
материаловедения СО РАН А.Ю. Ерошенко, к. ф.-м. н. Е.В. Легостаеву,
к. ф.-м. н. Е.Г. Астафурову, заведующего лабораторией физики
наноструктурных     биокомпозитов    д. ф.-м.   н.   Ю.П. Шаркеева,
заведующего лабораторией физики пластичности и прочности
Сибирского физико-технического института д. ф.-м. н. Ю.И. Чумлякова,
сотрудника Института машиноведения УрО РАН д.т.н. Н.Б. Пугачеву.


                        ЛИТЕРАТУРА

1. Материаловедение: учебник для вузов / Под ред. Б.Н.
   Арзамасова. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. –
  528 с.
2. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение: Учебник для
    вузов.– СПб.: ХИМИЗДАТ, 2007. – 784 с.
3. Гуляев А.П. Металловедение: учебник для вузов – М.:
    Металлургия, 1986. – 544 с.
4. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: учебник для
    студентов машиностроительных специальностей вузов. – М.:
    Машиностроение, 1992. – 528 с.
5. Козлов Ю.С. Материаловедение. – М.: “Агар”, 1999. – 180 с.
6. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов
    машиностроительных специальностей вузов / Под ред. А. М.
    Дальского. – М.: Машиностроение, 2003. – 512 с.
7. Материаловедение и технология металлов: Учебник для студентов
    машиностроительных специальностей вузов / Под ред. Г. П.
    Фетисова. – М.: Высшая школа, 2000. – 638 с.
8. Технология металлов и материаловедение / Под ред. Л.Ф. Усовой.
    – М., Металлургия, 1987. – 536 с.
9. Оура К., Лифшиц В.Г., Саранин А.А. и др. Введение в физику
    поверхности. – М.: Наука, 2006. – 490 с.
10. Горелик С. С., Добаткин С. В., Капуткина Л. М. Рекристаллизация
    металлов и сплавов. – М.: Изд-во МИСИС, 2005. – 432 с.
11. Пейсхаков А.М., Кучер А.М. Материаловедение технология
    конструкционных материалов. Учебник. – СПб.: Изд-во
    Михайлова В.А., 2005. – 416 с.
12. Солнцев     Ю.П.,     Пирайнен     В.Ю.,    Вологжанина     С.А.
    Материаловедение специальных отраслей машиностроения. –
    СПб.: ХИМИЗДАТ, 2007. – 784 с.
13. Чинков Е. П., Багинский А. Г. Материаловедение и технология
    конструкционных материалов: учебное пособие для вузов. –
    Томск: Изд-во ТПУ, 2005. – 140 с.
14. Егоров Ю. П., Лозинский Ю. М., Роот Р. В., Хворова И. А.
    Материаловедение: учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 1999.
    – 160 с.
15. Материаловедение. Технология конструкционных материалов:
    учеб. Пособие для студентов вузов / под ред. В.С. Чередниченко.–
    М.: Омега, 2006. – 752 с.


16. Моряков О.С. Материаловедение: учебник для студ. учреждений
    сред. проф. образования. – М.: Издательский центр “Академия”,
    2008. –240 с.
17. Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материалов. Методы
    исследования и контроля. – М.: Техносфера, 2006. – 384 с.
18. Ржевская С.В. Материаловедение: учебник для вузов. – М.: Логос,
    2006, – 424 с.
19. Кенько В.М. Неметаллические материалы и методы их обработки:
    учебное пособие для вузов. – Минск: Дизайн ПРО, 1998. – 240 с.
20. Батаев А.А., Батаев В.А. Композиционные материалы: строение,
    получение, применение: учебник. – Новосибирск: Изд-во НГТУ,
    2002. – 384 с.
21. Лозинский Ю.М., Безбородов В.П. Термическая обработка
    алюминиевых сплавов / Методические указания к выполнению
    лабораторных работ по курсу “ Материаловедение” для студентов
    машиностроительных специальностей. – Томск: Изд-во ТПУ,
    2004. – 10с.
22. Конева Н.А., Козлов Э.В. Структурные уровни пластической
    деформации и разрушения / Под. ред. В.Е. Панина. –
    Новосибирск: Наука, 1990. – 123 с.
23. Клименов В.А., Ковалевская Ж.Г., Перевалова О.Б. и др. Влияние
    ультразвуковой обработки поверхности стали 40Х13 на
    микроструктуру азотированного слоя, сформированного при
    высокоинтенсивной низкоэнергетической имплантации ионами
    азота // Физика металлов и металловедение. – 2006. – Том 102. –
    № 6. – С. 621-629.
24. Шаркеев Ю.П., Ерошенко Ю.А., Братчиков А.Д. и др. Объемный
    ультрамелкозернистый титан с высокими механическими
    свойствами для медицинских имплантантов // Нанотехника. –
    2007. –№ 3 (11). – С. 81-88.
25. Муш Г., Негели К, Шпрингер К. -Х. Руки роботов из волокнистых
    композитов // Пластмассы. – 2008. – №10. – С. 2-6.
26. Рогалла А., Друммер Д., Риль М. Новые разработки для
    медицинской техники // Пластмассы. – 2008. – №1. – С. 8-13.
27. Бродова И.Г., Попель П.С., Барбин Н.М., Ватолин Н.А. Исходные
    расплавы как основа формирования структуры и свойств
    алюминиевых сплавов. – Екатеринбург:УрО РАН, 2005 – 369 с.


                      ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ                                                       3
1. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ.
   МЕТОДЫ АНАЛИЗА СТРОЕНИЯ. ОЦЕНКА СВОЙСТВ                     4
  1.1. Классификация конструкционных материалов                4
  1.2. Методы изучения строения конструкционных материалов     5
  1.3. Оценка свойств конструкционных материалов              10
2. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ                                    18
  2.1. Кристаллическое строение металлов                      18
  2.2. Строение металлических сплавов                         26
  2.3. Диаграммы состояния сплавов                            29
3. ОСНОВНЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В
   ПРОИЗВОДСТВЕ                                               37
  3.1. Железоуглеродистые сплавы                              37
  3.2. Цветные сплавы                                         45
4. ИЗМЕНЕНИЕ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
СПЛАВОВ ВНЕШНИМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ                                  56
  4.1. Основные механизмы упрочнения сплавов                  57
  4.2. Наклеп и рекристаллизация                              59
  4.3. Изменение условий кристаллизации сплава                65
  4.4. Термическая обработка сплавов                          71
5. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ И КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ                 84
  5.1. Строение и свойства полимеров                          85
  5.2. Неорганические материалы                               93
  5.3. Композиционные материалы                               97
ЗАКЛЮЧЕНИЕ                                                   106
ЛИТЕРАТУРА                                                   107


       1. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ.
КЛАССИФИКАЦИЯ. МЕТОДЫ АНАЛИЗА СТРОЕНИЯ. ОЦЕНКА
                   СВОЙСТВ

           1.1. Классификация конструкционных материалов

     При выборе материала для той или иной детали или конструкции
учитывают экономическую целесообразность его применения (соответ-
ствие цены и качества), сохранение конструкционных критериев (тре-
буемые долговечность, прочность, надежность) и возможность перера-
ботки в изделие (технологические критерии – обрабатываемость реза-
нием, свариваемость, ковкость и т.п.). С учетом данных критериев вы-
бирают материал той или иной природы. Материалы делятся на метал-
лические, неметаллические и композиционные (рис. 1.1).

            КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕЛИАЛЫ


     МЕТАЛЛЫ              НЕМЕТАЛЛЫ           КОМПОЗИТЫ


Черные:      Цветные:      Пластмассы      На металлической основе
 стали;      алюминий;      Керамика       На керамической основе
 чугуны         титан;       Стекло         На полимерной основе
                медь;        Резина
               никель;       Дерево
             цинк и др.

       Рис. 1.1. Схема классификации конструкционных материалов

     Металлические материалы. К ним относятся все металлы и их
сплавы. Среди них можно выделить несколько групп, отличающихся
друг от друга по свойствам: 1.Черные металлы. Это железо и сплавы на
его основе – стали и чугуны; 2. Цветные металлы. В эту группу входят
металлы и их сплавы, такие как медь, алюминий, титан, никель и др.; 3.
Благородные металлы. К ним относятся золото, серебро, платина; 4.
Редкоземельные металлы. Это лантан, неодим, празеодим.
     Неметаллические материалы. Среди них также можно выделить
несколько групп: 1. Пластмассы. Это материалы на основе высокомоле-
кулярных соединений – полимеров, как правило, с наполнителями;

                                  1


2. Керамические материалы (керамика). Основой этих материалов яв-
ляются порошки тугоплавких соединений типа карбидов, боридов, нит-
ридов и оксидов. Например: TiC, SiC, Cr7C3, CrB, Ni3B, TiB2, BN, TiN,
Al2O3, SiO2, ZrO2 и др.; 3. Металлокерамические материалы (металлоке-
рамика). В этих материалах основой является керамика, в которую до-
бавляется некоторое количество металла, являющегося связкой и обес-
печивающего такие свойства, как пластичность и вязкость; 4. Стекло.
Оно представляет собой систему, состоящую из оксидов различных
элементов, в первую очередь оксида кремния SiO2; 5. Резина. Это мате-
риалы на основе каучука - углеродноводородного полимера с добавле-
нием серы и других элементов; 6. Дерево. Сложная органическая ткань
древесных растений.
     Композиционные материалы. Они представляют собой компози-
ции, полученные искусственным путем из двух и более разнородных
материалов, сильно отличающихся друг от друга по свойствам. В ре-
зультате композиция существенно отличается по свойствам от состав-
ляющих компонентов, т.е. получаемый материал имеет новый комплекс
свойств. В состав композиционных материалов могут входить как ме-
таллические, так и неметаллические составляющие.
     Удельная доля применения в технике этих материалов различна.
Мировой объем производства в год основных материалов следующий:
сталь – 700 млн. т., конструкционного чугуна – 46 млн. т., пластических
масс – 100 млн. т., конструкционных стекла и керамики – 180 млн. т.,
алюминий – 12 млн. т., медь – 7 млн. т., никель – 0,5 млн. т. (данные
1998 г.). Как видно, наиболее широко применяются металлические ма-
териалы. Например, в машиностроении их доля достигает 95%. Однако
наибольшие темпы роста производства у композиционных материалов.

  1.2. Методы изучения строения конструкционных материалов

     Существует много разнообразных способов, при помощи которых
изучают строение материалов. В данном параграфе представлены лишь
основные методы анализа внутреннего строения металлических мате-
риалов. Многие из представленных методов используются и для оценки
строения неметаллических и композиционных материалов.
     Определение химического состава. Для определения химическо-
го состава используются методы количественного анализа. Если не тре-
буется большой точности, то используют спектральный анализ. Спек-
тральный анализ основан на разложении и исследовании спектра элек-
трической дуги или искры, искусственно возбуждаемой между медным
электродом и исследуемым металлом. Зажигается дуга, луч света через

                                  2


призмы попадает в окуляр для анализа спектра. Цвет и концентрация ли-
ний спектра позволяют определить содержание химических элементов.
Используются стационарные и переносные стилоскопы.
     Более точные сведения о составе дает рентгеноспектральный ана-
лиз. Проводится на микроанализаторах. Позволяет определить состав
фаз сплава, характеристики диффузионной подвижности атомов.
     Структурный анализ. Существуют понятия макроструктуры,
микроструктуры и субмикроструктуры материалов.
                                    Макроструктурный анализ – изу-
                                чение структуры материалов визуально
                                или с помощью простейших оптических
                                приборов с увеличением до 50 крат.
                                Наиболее доступным при этом является
                                изучение изломов (рис. 1.2). Для металлов
                                и сплавов мелкокристаллический излом
                                соответствует лучшему качеству – бо-
                                лее высоким механическим свойствам.
                                На изломах, например, в сталях легко
                                наблюдаются дефекты: крупное зерно,
                                грубая волокнистость, трещины, ракови-
  Рис. 1.2. Излом бронзовой
                                ны и т.п. Другим способом макроиссле-
         отливки (×50)         дования является изучение строения ме-
                               таллических материалов на специаль-
                               ных темплетах (образцах). После
травления специальными растворами шлифованной поверхности
темплета на ней выявляется кристаллическая структура, волокни-
                                     стость, дендритное строение, не-
                                     однородность металла. Например,
                                     травление поперечного среза свар-
                                     ного шва дает возможность вы-
                                     явить места непровара, пузыри, зо-
                                     ну термического влияния, трещины
                                     и т.п.
                                          Микроструктурный анализ
                                     (рис. 1.3) – изучение поверхности
                                     при помощи световых микроско-
                                     пов. Увеличение составляет от 50
                                     до 2000 крат. Позволяет обнару-
  Рис. 1.3. Микроструктура литей-    жить элементы структуры разме-
   ной легированной стали (×500)     ром до 0,2 мкм. Образцами яв-
                                     ляются микрошлифы с блестя-

                                   3


щей полированной поверхностью, так как структура рассматрива-
ется в отраженном свете. Наблюдаются микротрещины и неметалли-
ческие включения. Для выявления микроструктуры поверхность травят
реактивами, зависящими от состава сплава. Различные фазы протрав-
ливаются неодинаково и окрашиваются по разному. Можно выявить
форму, размеры и ориентировку зерен, отдельные фазы и структурные
составляющие.
     Для анализа субмикроструктуры (структуры внутри зерен), кроме
световых микроскопов, используют электронные микроскопы с боль-
шой разрешающей способностью (увеличение до миллиона крат). Изо-
бражение формируется при помощи потока быстро летящих электро-
нов. Электронные лучи с длиной волны (0,04...0,12)⋅10-8 см дают воз-
можность различать детали объекта, соответствующие по своим раз-
мерам межатомным расстояниям.
     В просвечивающем электронном микроскопе поток электронов
проходит через изучаемый объект. Изображение является результатом
неодинакового рассеяния электронов на объекте (рис. 1.4).

   а                        б
                                                     в




Рис. 1.4. Изображение субзерен феррита в стали 20, полученное с помощью
       просвечивающей электронной микроскопии: а – светлое поле;
  б – темное поле в рефлексе [110] α-Fe; в – микроэлектронограмма (×50000).

     При прямом методе изучают тонкие металлические фольги, тол-
щиной до 300 нм, на просвет. Фольги получают непосредственно из
изучаемого сплава последовательно механическим и ионным утоне-
нием. Для идентификации фаз, присутствующих в материале, применя-
ется дифракционный анализ с использованием темнопольной методики
(рис. 1.4б,в). Изображение тонкой структуры материала – светлополь-
ное изображение (рис. 1.4а) используется для анализа строения субзе-


                                    4



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика