Кузьмин Б.А. и др. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

Б.А. Кузьмин

А.И. Самохоцкий, Т.Н. Кузнецова

МЕТАЛЛУРГИЯ,

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

И КОНСТРУКЦИННЫЕ

МАТЕРИЛЫ

6ПЗ

K89

УДК 669(075)

Рецензент - профессор А. Г. РАХШТАДТ (МВТУ)

Борис Александрович Кузьмин,

(проф., канд. техн. наук)

Алексей Иванович Самохоцкий,

(заслуженный учитель РСФСР)

Татьяна Николаевна Кузнецова (инженер)

МЕТАЛЛУРГИЯ, МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И КОНСТРУКЦИОННЫЕ МА-

ТЕРИАЛЫ

ИБ № 663

Редактор З. Г. Овсянникова. Художественный редактор Г. А. Дурасова.

Технический редактор Я. В. Яшукова. Художник В. И. Казакова. Корректор Р.

К. Косинова. Т-13316. Сдано в набор 18/II-77 г. Подписано к печати 6/VII-77 г.

Формат 60x90

1/16

. Бум. тип. № 1. Объем 19 печ. л. Усл. п. л. 19. Уч.-изд. л. 20,33.

Изд. № ОТ-270/75. Тираж 145 000 экз. Зак. 1118. Цена 95 коп. План выпуска

литературы издательства «Высшая школа» (вузы и техникумы) на 1977 г. По-

зиция № 217. Издательство «Высшая школа»,

Москва, К-51. Неглинная ул., д. 29/14 Ордена Трудового Красного Знаме-

ни Ленинградское производственно-техническое объединение «Печатный

Двор» имени А. М. Горького Союзполиграфпрома при Государственном коми-

тете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной

торговли. 197136, Ленинград, П-136, Гатчинская ул. 26.

Кузьмин Б. А. и др.

К 89 Металлургия, металловедение и конструкционные материалы. Учеб-

ник для техникумов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Высш. школа», 1977.

304 с. с ил.

Перед загл. авт.: Б. А. Кузьмин, А. И. Самохоцкий, Т. Н. Кузнецова.

в учебнике рассмотрены строение и механические свойства металлов;

теория сплавов; производство черных и цветных металлов; основы теории и

технологические процессы термической обработки сплавов; теория коррозии и

методы защиты от нее; строение, свойства, назначение сталей и чугунов, цвет-

ных металлов и сплавов, а также неметаллических конструкционных материа-

лов.

Во втором издании учебника (первое вышло в 1971 г.) материал значи-

тельно обновлен.

Предназначается для учащихся машиностроительных и металлургических

специальностей техникумов.

31101 384

K 217 77

001(01) 77

6ПЗ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящий учебник написан для учащихся техникумов, готовящих меха-

ников по машиностроительным специальностям. Он соответствует учебным

программам предметов, либо совпадающих с названием книги, либо именуе-

мых «Металловедение и конструкционные материалы».

В учебных планах этих специальностей техникумов обычно отсутствует

предмет «Технология металлов», а есть самостоятельные предметы - «Метал-

ловедение и конструкционные материалы», «Горячая обработка металлов» и

отдельно «Резание и металлорежущие станки» или другие. В соответствии с

программами этих предметов элементарные сведения по металлургии должны

преподаваться вместе с металловедением.

В настоящем учебнике вопросы металлургии не выделены в само-

стоятельный раздел, а изложены после элементарных сведений по кристаллиза-

ции, строению металлов и их механическим свойствам. Кроме того, вопросы

металлургии соответствующего металла изложены непосредственно перед опи-

санием его сплавов и диаграмм их состояния.

Такое изложение материала является более логичным, так как многие

широко используемые в технике сплавы получаются непосредственно на ме-

таллургическом заводе и технология этих сплавов тесно связана с их металлур-

гией (стали, чугуны, силумины).

По сравнению с первым второе издание учебника переработано. В соот-

ветствии с новыми достижениями в науке в учебник внесены необходимые из-

менения и дополнения. Даны сведения о дислокациях, механизме пластической

деформации и разрушении, пороге хладноломкости, конструктивной прочно-

сти. Указаны особенности структуры слитков, полученных методом непрерыв-

ной разливки стали. Виды термической обработки даны по классификации, раз-

работанной Комиссией по стандартизации СЭВа. Даны понятия о металлургии

магния, о свойствах и назначении магниевых сплавов. В материале о пластмас-

сах и резине сделаны некоторые сокращения.

Главы IV, V, XVI, XVII, XVIII учебника написаны проф. Б. А. Кузьми-

ным; главы I, II, III, VI - XV и XIX - А. И. Самохоцким; главы - XX - XXII - Т.

Я. Кузнецовой.

Отзывы и пожелания, направленные на улучшение этого учебника, будут

приняты с большой благодарностью.

Авторы

Глава I

СТРОЕНИЕ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

§ 1. Кристаллические решетки металлов

Металлы - кристаллические тела, атомы которых располагаются в гео-

метрически правильном порядке, образуя кристаллы, в отличие от аморфных

тел (например, смола), атомы которых находятся в беспорядочном состоянии.

Располагаясь в металлах в строгом порядке, атомы в плоскости образуют

атомную сетку, а в пространстве - атомно-кристаллическую решетку (рис. 1).

Линии на этих схемах являются условными; в действительности никаких линий

не существует, а атомы колеблются возле точек равновесия, т. е. узлов решетки

с большой частотой.

Типы кристаллических решеток у различных металлов различные. Наи-

более часто встречаются решетки: кубическая объемно-центрированная, куби-

ческая гранецентрированная и гексагональная плотноупакованная.

Элементарные ячейки таких кристаллических решеток приведены на рис.

1. В ячейке решетки кубической объемноцентрированной атомы расположены в

вершинах куба и в центре куба; такую решетку имеют хром, ванадий, вольф-

рам, молибден и др. В ячейке кубической гранецентрированной решетки атомы

расположены в вершинах и в центре каждой грани куба; такую решетку имеют

алюминий, никель, медь, свинец и др. В ячейке гексагональной решетки атомы

расположены в вершинах шестиугольных оснований призмы, в центре этих ос-

нований и внутри призмы; гексагональную решетку имеют магний, титан, цинк

и др. В реальном металле кристаллическая решетка состоит из огромного коли-

чества ячеек.

Размеры кристаллической решетки характеризуются ее параметрами, из-

меряемыми в ангстремах - Å (lÅ = 10

-8

см или lÅ = 0,1 Нм). Параметр кубиче-

ской решетки характеризуется длиной ребра куба, обозначается буквой а и на-

ходится в пределах 0,28-0,6 Нм (2,8 - 6Å). Для характеристики гексагональной

решетки принимают два параметра - сторону шестигранника а и высоту призмы

с. Когда отношение с/а = 1,633, то атомы упакованы наиболее плотно, и поэто-

му такая решетка называется гексагональной плотноупакованной.

§ 2. Реальное строение металлических кристаллов

Необходимо отметить, что такой порядок в расположении атомов (упа-

ковка), как это показано при описании элементарных ячеек кристаллической

решетки, имеется не по всему объему кристалла (кристаллической решетки).

В действительности реальный кристалл в отличие от идеального имеет

структурные несовершенства: точечные, линейные и поверхностные.

Точечные несовершенства. Как указывалось, атомы находятся в колеба-

тельном движении возле узлов решетки. Чем

выше температура, тем больше амплитуда

этих колебаний. Хотя большинство атомов

металла в данной кристаллической решетке

обладает одинаковой (средней) энергией и

колеблется при данной температуре с одина-

ковой амплитудой, отдельные атомы имеют

энергию, значительно превышающую сред-

нюю энергию. Такие атомы имеют не только

амплитуду колебаний большую, чем средняя,

но могут перемещаться из одного места в другое. Наиболее легко перемешают-

ся атомы поверхностного слоя, выходя на поверхность (например, атом 1, рис.

2, а). Место, где находился такой атом (свободный узел), называется ваканси-

ей, которая не остается свободной. Через некоторое время в нее перемещается

один из соседних атомов из более глубокого слоя (например, атом 2, рис. 2, б),

а покинутый им узел также становится вакансией; затем перемещается, напри-

мер, атом 5 (рис. 2, в) и т. д. Таким образом, вакансия перемещается в глубь

кристалла. Как видно из рис. 2, г, вакансия искажает кристаллическую решетку.

С повышением температуры увеличивается количество вакансий и они

чаще переходят из одного узла в другой. Вакансии играют определяющую роль

в диффузионных процессах, протекающих в металлах.

Линейные несовершенства. Эти несовершенства называются дислока-

циями (от английского слова dislocation, что в переводе означает смещение,

сдвиг). Существуют различные виды дислокаций, одним из которых является

краевая (линейная) дислокация, сущность которой поясним следующим приме-

ром.

Произведем в идеальном кристалле сдвиг на одно межатомное расстояние

одной части кристалла относительно другой вдоль какой-либо атомной плоско-

сти на участке ADEF (рис. 3, а). Как видно, влево сдвинулась только часть кри-

сталла, находящаяся правее плоскости ABCD. При таком сдвиге число рядов

атомов в верхней части кристалла на один больше, чем в нижней (рис. 3, б).

Плоскость ABCD (рис. 3, а) представляет собой в данном случае как бы лиш-

нюю атомную плоскость (называемую экстраплоскостью), вставленную в верх-

нюю часть кристалла (АВ, рис. 3, б). Линия AD (рис. 3, а), перпендикулярная

направлению сдвига, являющаяся краем экстраплоскости, называется краевой

или линейной дислокацией, длина которой может достигать многих тысяч меж-

атомных расстояний.

Характерным для дислокаций является их легкая подвижность. Это объ-

ясняется тем, что кристаллическая решетка в зоне дислокаций упруго искажена,

атомы в этой зоне смещены относительно

их равновесного положения в кристаллической решетке и поэтому ато-

мы, образующие дислокацию, стремятся переместиться в равновесное положе-

ние.

Образование дислокаций может происходить в процессе кристаллизации,

при пластической деформации, термической обработке и других процессах.

Дислокации оказывают весьма существенное влияние на все процессы, проте-

кающие в металлах. Они очень сильно влияют на механические свойства, резко

снижая прочность металлов.

Поверхностные несовершенства. Этими несовершенствами являются гра-

ницы зерен и блоков металла. На границе между зернами атомы имеют менее

правильное расположение, чем в объеме зерна. Зерна разориентированы, по-

вернуты друг относительно друга на несколько градусов. По границам зерен

скапливаются дислокации и вакансии. Зерно состоит из большого числа разо-

риентированных на очень небольшие углы (десятые доли градусов) областей,

называемых субзернами или блоками (рис. 4), границы которых представляют

собой дислокации, разделяющие зерно на блоки.

§ 3. Анизотропия кристаллов

В различных плоскостях кристаллической решетки атомы расположены с

различной плотностью и поэтому многие свойства кристаллов в различных на-

правлениях различны. Такое различие называется анизотропией.

Все кристаллы анизотропны. В отличие от кристаллов аморфные тела

(например, смола) в различных направлениях имеют в основном одинаковую

плотность атомов и, следовательно, одинаковые свойства, т. е. они изотропны.

Степень анизотропности может быть значительной. Исследования моно-

кристалла (единичного кристалла) меди в различных направлениях показали,

что предел прочности изменяется от 120 до 360 МН/м

(oт 12 до 36 кгс/мм

), а

удлинение oт 10 до 55%.

В металлах, состоящих из большого количества по-разному ориентиро-

ванных мелких анизотропных кристаллов (поликристалл), свойства во всех на-

правлениях одинаковы (усредненные). Эта кажущаяся независимость свойств

от направления называется квазиизотропией.