Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

Ю.

М.

Лахтин.

В. П.

Леонтьева

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Допущено Министерством

высшего

Среднего специального образования

СССР

качестве учебника

для

студентов

машиностроительных специальностей

вузов

ВТОРОЕ

ИЗДАНИЕ,

ПЕРЕРАБОТАННОЕ

ДОПОЛНЕННОЕ

МОСКВА

«МАШИНОСТРОЕНИЕ» 1980

ББК

34.2

Л12

УДК 621.7.

Д669.017(075.8)

Рецензент

кафедра. «Металловедение

термическая обработка металлов» МАМИ.

Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П.

Л12 Материаловедение: Учебник

для

машиностроительных

ву-

зов

- 2-е изд.,

перераб.

доп.—М.: Машиностроение. 1980.—

493

с, ил.

пер.: 1 р. 50 к.

В учебнике рассмотрено кристаллическое строение металлов, воздействие

на

их

структуру

свойства процессов кристаллизации, пластической деформа-

ции

рекристаллизации. Описаны фазы, образующиеся

сплавах. Широко

освещены механические свойства

учетом

современных представлений

кон-

структивной прочности

механизме разрушения. Большое внимание

уделейо

теории

технологии термической

.химико-термической обработки стали,

оборудованию термических цехов, описанию различных сталей

сплавов.

Дано подробное описание пластмасс, керамики, стекла,

дерева

других

ма-

те.риалов.

Л i*"?*"**

* 31-80. 2108000000

ББК 34.2

038(01)-80

6Ш.4

Издательство «Машиностроение»,

1980 г,

ПРЕДИСЛОВИЕ

Материаловедением называют науку,

изучающую

взаимосвязь

между

со-

ставом, строением и свойствами материалов.

За

последние годы достижения материаловедения обеспечили небы-

валый прогресс в разработке конструкционных и инструментальных мате-

риалов в различных областях техники. Исследования реальной структуры,

твердых

тел показали принципиальную возможность получения кристал-

лических и некристаллических материалов с прочностью, приближающейся

теоретической, определяемой прочностью межатомных связей.

Курс «Материаловедение» включает две самостоятельные части: 1) ме-

талловедение и термическая обработка металлов; 2) неметаллические ма-

териалы (полимеры, керамика, стекло, резина, древесина и т.д.).

Использование неметаллических материалов в промышленности неве-

лико

и составляет около 5—6%. В ближайшем

будущем

оно может возра-

сти не более чем до 7—8%, поэтому в учебнике основное внимание

уделено

металлам.

Часть I книги «Металловедение и термическая обработка

металлов»

во втором издании претерпела значительные изменения. Помимо внесения

изменений,

связанных с развитием науки о

металлах,

в учебник введены

новые разделы.

Сделана попытка

дать

некоторые исходные соображения о выборе ста-

ли и метода, упрочнения типовых деталей машин, конструкции и инстру-

мента. Рассмотрены принципы выбора комплекса прочностных свойств,

которые определяют работоспособность металла (стали) в эксплуатации.

Дана классификация критериев оценки конструктивной прочности стали,

определяющих ее долговечность и надежность против внезапных разруше-

ний.

Систематизированы пути повышения прочности металлов и сплавов.

В книге описаны новые технологические процессы термической и хи-

мико-термической обработки, основное оборудование термических цехов,

рассмотрены вопросы механизации и автоматизации технологических про-

цессов в термических

цехах.

Впервые в курс «Материаловедение» введены разделы «Порошковые ма-

териалы»

и «Экономическая эффективность применения различных мате-

риалов и методов повышения долговечности изделий».

Современное

машиностроение характеризуют непрерывно растущая

энергонапряженность,

а также тяжелые условия эксплуатации машин (вы-

сокий

вакуум, низкие или высокие температуры, агрессивные среды, высо-

кая

радиация и т.д.)- Такие условия работы машин предъявляют к мате-

риалам особые требования. Для удовлетворения этих требований создано

MHOFO

сплавов на основе различных металлов.

В современной технике широко применяют стали, обеспечивающие вы-

сокую конструктивную прочность, и сплавы, которые остаются прочными

при

высоких

температурах,

вязкими при

температурах,

близких к абсолют-

ному нулю, обладающие высокой коррозионной стойкостью в агрессивных

средах

или другими физико-химическими свойствами.

Число

новых сплавов непрерывно растет. Особенно большие возмож-

ности

открылись перед создателями новых материалов благодаря широко-

му применению тугоплавких металлов, поэтому в учебник включена новая

глава «Тугоплавкие металлы». Более широко освещены композиционные

материалы на основе металлов, полимеров и керамики.

Вторая часть книги посвящена неметаллическим материалам. Этот раз-

дел учебника также претерпел значительные изменения. Расширены сведе-

ния

о старении полимеров, действии радиации, освещен процесс абляции.

Переработан раздел термостойких пластиков, приведены новые виды сте-

клопластиков

и сотокласты, описаны износостойкие резины и новые тепло-

стойкие

клеи, работающие длительно до

600°С

и кратковременно до

1200 С.

Во втором издании учтены замечания, сделанные по первому изданию.

Мы

признательны всем коллегам, сделавшим свои замечания по книге, на-

правленные

на ее улучшение.

Авторы

приносят

глубокую

благодарность профессору, доктору техни-

ческих наук И. С. Козловскому и коллективу кафедры «Металловедение

термическая обработка

металлов»

МАМИ, сделавшим ряд очень важных

замечаний

при рецензировании рукописи учебника.

Часть I «Металловедение и термическая обработка

металлов»

а также

часть III «Экономическая эффективность применения различных мате-

риалов и методов повышения долговечности, изделий» написаны проф.

Ю. М. Лахтнным, а часть II «Неметаллические материалы» — доц.

В. П. Леонтьевой.

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

ЧАСТЬ

И ТЕРМИЧЕСКАЯ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ВВЕДЕНИЕ

Металловедение—наука, изучающая зависимость

между

составом, строе-

нием

и свойствами металлов и сплавов и закономерности их изменения

под воздействием внешних факторов: тепловых, химических, механических,

электромагнитных и радиоактивных.

Впервые существование связи

между

строением стали, и ее свойствами

было установлено П. П. Аносовым

(1799—1851

гг.).

Важнейшие положения научного металловедения были заложены рус-

ским

металлургом Д. К. Черновым

(1839—1921

гг.).

Д. К. Чернов в работе, опубликованной в 1868 г., показал, что в стали

твердом состоянии при ее нагреве (или охлаждении) до. определенных

температур (впоследствии названных критическими точками) происходят

фазовые превращения, вызывающие значительные изменения свойств ста-

ли.

В 1876 г. им были изложены основы современной теории кристаллиза-

ции

металлов. Эти и последующие работы Д. К. Чернова создали фунда-

мент современного металловедения и термической обработки стали.

В начале XX в. большую роль в развитии металловедения сыграли

работы Н. С. Курнакова, применившего для исследования металлов ме-

тоды физико-химического анализа (электрический, дилатометрический, маг-

нитный

и др.).

Широкое

использование рентгеновского анализа, предпринятое с нача-

ла 20-х г., позволило установить кристаллическое строение металлических

фаз

и изучить изменения его в зависимости от обработки сплава. Эти

важные исследования провели М.

Лауэ

и П. Дебай (Германия), Г. В.

Вульф

(СССР),

У. Г. Брэгг и У. Л. Брэгг (Англия), А. Вестгрен, В. Фрагмен (Шве-

ция)

и др.

Начиная

1928—1930

гг. большое внимание уделяется, теории фазовых

превращений в сплавах. В числе работ, выполненных в этом направлении,

следует

отметить исследования Э.

Бэйна

и Р. Мейла (США) и Велера

(Германия).

Развитие металловедения неразрывно связано с работами советских

ученых.

После Великой Октябрьской революции, особенно в период инду-

стриализации страны, были образованы многочисленные исследователь-

ские

лаборатории на

заводах

втузах,

а также был создан р^д специализи-

рованных исследовательских институтов, в которых развернулась широкая

работа в области металловедения и термической обработки металлов.

Большой

вклад в развитие металловедения и технологии термической

обработки внесли С. С. Штейнберг, Н. А. Минкевич, Г. В. Курдюмов, А. М,

Бочвар,

А. А. Бочвар, С. Т.

Кишкин,

В. Д. Садовский, А. П.

Гуляев

и их

школы.

Все металлы и сплавы принято делить на две группы.

Железо и сплавы на его основе (сталь,

чугун)

называют

черными

метал-

лами,

а остальные металлы (Be, Mg, Al, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Zr,

Nb,

Mo, Ag, Sn, W, Au, Hg, Pb и др.) и их сплавы —

цветными

(табл. 1)1.

Наибольшее применение нашли черные металлы. На основе железа из-

готовляется не менее 90%

всех

конструкционных и инструментальных ма-

териалов. По сравнению с цветными металлами стоимость железа и его

сплавов невелика (см. стр. 437). Цветные металлы по сходным свойствам под-

разделяют на легкие металлы (Be, Mg, Al, Ti), обладающие малой плот-

ностью (менее 3 г/см

); легкоплавкие металлы (Zn, Cd, Sn, Sb, Hg, Pb, Bi);

тугоплавкие металлы (Ti, Cr, Zr, Nb, Mo, W, V и др.), с температурой

плавления

выше, чем у железа

(1539°С);

благородные металлы (Ph, Pd, Ag,

Os, Pt, Аи и др.), обладающие химической инертностью; урановые ме-

таллы (U, Th, Pa) — актиноиды, используемые в атомной технике; редко-

земельные металлы

(РЗМ),

лантаноиды (Се, Pr, Nd, Sm и др.) и сходные

ними итрий и скандий, применяемые как присадки к различным спла-

вам-;

щелочноземельные металлы (Li, ТЧа, К), используемые в качестве те-

плоносителей в атомных реакторах.

Ниже

будут

рассмотрены металлы и сплавы, которые применяются

современном машиностроении.

Элементы с порядковым номером .57-71: Се (церий), Рг (празеодим), Nd (неодим),

Рт

(прометий), Sm (самарий), Eu (европии), Gd (гадолиний), Tb (тербий), Dy (диспрозий),

Но

(гольмий), Ег (эрбий), Tin (тулий), Yb (иттербий), Lu (лютеции) — относя вся к ланта-

ноидам

(редким землям). 'Элементы с порядковым номером 90—103: Th (тории), Ра (протак-

тинии),

U (уран), Np (нептуний), Ри (плутоний), Am (америций), Cm (кюрий), Вк (берк-

лин),

Cf (калифорний), Es (эйнштейний), l-'m (фермии), Md (менделеевин), No (нобелий),

Lr (лауренсий) — 01 носятся к актиноидам. Элемент 104 - Ки (курчатовий).

Эти элементы вводятся в сплав (сталь) в виде мишметалла, содержащего 40-45% Се

45—50%

других

редкоземельных металлов, ферроцерия (сплав Се и Fe и

других

РЗМ), дади-

ма

(сплав Nd и Рг) и др. В чистом виде-зги металлы полечить трудно.

Тоёлица

Металлы

К8

Са

К8

KI2

Г12

К12

ке

Г12

Ва

К8

KI2

Г12

П2

57-

-71

К12

Г12

К8

Г12

К8

Г12

К8

KI2

ПерехоИньи

К8

Та

К8

Ра

ТЕТРА-

ГОНАЛЬНАЯ

unwDMH

Сг

К8

МО

К8

KI2

Э2

К8

ТЕТРА-

ТОНАЛЬНАЯ

РОМБО-

(ДРИЧССКМ

металлы

Мп

КУБИЧЕСКАЯ

ТЕТРЛ-

ТОНАЛЬНАЯ

Тс

П2

К8

KI2

П2

Со

KI2

Г12

KI2

Си

KI2

Аи

KI2

П2

Г6

во

РОМБв-

ЭДРРМЕСКАЯ

ТЕТРА-

ТОНАЛЬНАЯ

А1

KI2

РОМБ0-

ТЕТРА-

ГОНААЬНАЯ

ТЕТРА-

ГОНАЛЬНАЯ

Т1

кубическая объемно-центрированная;

Ю2

Г12

гексагональная

плотно

у пакованная;

Г6

КУБИЧЕСКАЯ

<УЫНЕСК«

Се

KI2

ТЕТРА-

mLJAAkUAO

1инллЬНАН

1УБИЧЕСКАЯ

KI2

Неметаллы

К8

ЭДРИЧЕСКАЯ

РОМБО-

ЭДРИЧЕСКАЯ

РОМБО-

ЭДРИЧЕСКАЯ

Вх

Р0МБО-

)ДРИЧ|СКАЯ

нуд~ическая

РОМБ0-

ЭДРИЧЕСКА!

РОМБО-

Г6

Т1

Г6

Ро

1УБИЧЕСКАЯ

РОМБО-

ЭДРИЧЕСКАЯ

С1

ТЕТРА-

Вг

Р0МБО-

ЭДР/ЧЕСКЛ^

РОМБО-

ЭДРИЧЕСКАЯ

Не

KI2

АГ

KI2

Кг

KI2

Хе

KI2

гране

центрированная,

гексагональная

Глава

I КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ

СТРОЕНИЕ

МЕТАЛЛОВ

ОБЩАЯ

ХАРАКТЕРИСТИКА

МЕТАЛЛОВ

Из

известных в настоящее время 106 элементов 76 являются металлами.

В табл. 1 приведена Периодическая система элементов Д. И. Менделеева,

правой части которой жирной чертой отделены неметаллические эле-

менты.

Металлы в твердом и, отчасти, в жидком состояниях обладают рядом

характерных свойств:

1) высокой тепло- и электропроводностью;

2) положительным температурным коэффициентом электросопротив-

ления;

с повышением температуры электросопротивление чистых метал-

лов возрастает; большое число металлов (~ 30) обладает сверхпроводи-

мостью (у этих металлов при температуре, близкой к абсолютному нулю,

электросопротивление падает скачкообразно, практически до нуля);

3) термоэлектронной эмиссией, т. е. способностью испускать электроны

при

нагреве;

4) хорошей отражательной способностью: металлы непрозрачны

обладают металлическим блеском;

5) повышенной способностью к пластической деформации.

Наличие

этих свойств и характеризует так называемое

металлическое

состояние

вещества.

Все металлы и металлические сплавы—тела

кристаллические,

атомы

(ионы)

расположены в металлах закономерно в отличие от аморфных тел,

которых атомы расположены хаотично.

Металлы (если их получают обычным способом) представляют собой

поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких (10 "

—

-10 ~

см), различно ориентированных по отношению

друг

другу

кристаллов.

Вследствие условий кристаллизации они имеют неправильную форму

называются

кристаллитами

или

зернами.

Все наиболее характерные свойства металлов объясняются наличием

них легкоподвижных коллективизированных электронов проводимости.

Атомы металлов имеют на внешнем энергетическом уровне небольшое

число электронов. Связь внешних электронов с атомом характеризуется

работой выхода электронов (или ионизацинным потенциалом), т.е. рабо-

той,

необходимой для удаления электронов из изолированного атома.

Если

для металлов ионизационный потенциал составляет 4—9 эВ, то

у неметаллов величина его, как правило, превышает 10 эВ при однократ-

ной

ионизации (т. е. при отрыве одного электрона). Ионизационный потен-

циал

промежуточных элементов (Si, As, Se и др.) составляет 8—10 эВ. Эти

данные показывают, что внешние электроны слабо связаны с ядром и по-

этому они находятся в относительно свободном состоянии, образуя элек-

тронный

газ.

-£

'Энергия

отталкивания

Суммарная

энергия

взаимодействия

Расстояние

между

атомами

б)

/Энергия

притяжения

а)

Рис.

Силы

взаимодействия двух

атомов в зависимости от межатом-

ного расстояния (а) и изменение

потенциальной энергии атомов в

кристаллической решетке (б)

Металлическое состояние возникает

комплексе атомов, когда

при их

сближении внешние электроны теряют связь

отдельными атомами,

ста-

новятся

общими,

т. е.

коллективизируются

свободно перемещаются

ме-

жду положительно заряженными

периодически расположенными ионами.

Устойчивость металла, представляющего собой, таким образом, ионно-

электронную систему, определяется электрическим притяжением

между

положительно заряженными ионами

обобщенными электронами. Такое

взаимодействие

между

ионным скелетом

электронным газом получило

название металлической связи.

Сила связи

металлах

определяется силами отталкивания

силами

притяжения

между

ионами

электронами

и не

имеет резко выраженного

направленного характера.

Атомы

(ионы) располагаются

на

таком расстоя-

нии

друг

от

друга,

чтобы энергия взаимодействия была минимальной

(рис.

1,а).

На

рис.

показаны зависимости

сил

притяжения

отталкивания,

дей-

ствующих

на

один атом,

от

расстояния

между

атомами

а в

решетке.

Как

видно

из рис. \,а,

кривая результирующей силы пересекает

ось

абсцисс

точке

А, где

отталкивающие

притягивающие силы уравновешиваются.

Величина

соответствует

равновесному расстоянию

между

атомами.

Сближение атомов (ионов)

на

расстояние, меньшее

, или

удаление

их

на

расстояние, большее

осуществимо лишь

при

совершении определен-

ной

работы против

сил

отталкивания

притяжения.

связи

этим

в ме-

талле

атомы располагаются закономерно, образуя правильную кристалли-

ческую решетку,

что

соответствует

минимальной энергии взаимодействия

атомов.

Атомы

(ионы) занимают положение

минимальной потенциальной

энергией.

Атомы, составляющие поверхностный слой, обладают' повышен-

ной

потенциальной энергией

(рис. 1,6).

Металлическое состояние характеризуется высокой энергией связи

меж-

ду атомами. Мерой ее служит теплота сублимации, под которой

пони-

мают

сумму

энергии, необходимой для перехода от конденсированной си-

стемы, т. е. твердого металла, к парообразному состоянию, когда атомы

уже не связаны

между

собой энергией ионизации, поскольку в последнем

случае

они электрически нейтральны. Теплота сублимации для металлов

изменяется в пределах от 20 до 220 ккалДг • атом).

Приведенные положения позволяют объяснить характерные свойства

металлов. Высокая электропроводность металлов объясняется присут-

ствием в них свободных электронов, которые перемещаются в потенциаль-

ном

поле решетки. С повышением температуры усиливаются колебания

ионов

(атомов), образуются вакансии и нарушается правильная периодич-

ность потенциального поля, что затрудняет движение электронов, в ре-

зультате

чего электросопротивление возрастает. При низких температурах

колебательное движение ионов (атомов) сильно уменьшается и электро-

проводность возрастает. У некоторых металлов в результате образования

пар электронов, движущихся упорядоченцр при очень низких температурах

(<20К),

электропроводность обращается в бесконечность — явление сверх-

проводимости. Высокая теплопроводность металлов обусловливается

большой подвижностью свободных электронов и в меньшей степени коле-

бательным движением ионов.

Высокая пластичность металлов объясняется периодичностью их атом-

ной

структуры и отсутствием направленности металлической связи. В про-

цессе пластической деформации (ковка, прокатка и т. д.) металла, т. е. при

смещении отдельных его объемов относительно

других,

связь

между

иона-

ми

(атомами) не нарушается. Кристаллы с ковалентной или

ионной,

т. е.

с направленной, связью хрупки, так как при деформации эта связь

нарушается.

Известно,

что электроны в атоме распределены по энергетическим

уровням. В порядке возрастания энергии эти уровни располагаются в сле-

дующей последовательности: Is, 2s, 3s, Ър, 3d, 4s, Ар, 4d, 5s, 5p, 5d, 4/, 6s, 6p,

7s, 6d, 5f. В этой же последовательности должно происходить заполнение

электронных уровней. Однако в металлах

4—6-го

периодов (от Sc до Ni,

от V до Pd и от L а до Pt и др.) заполнение электронами уровней 3d, Ad

5d, 4/ и 5/ происходит только после того, как "следующие за ними 4s, 5s

6s уровни соответственно уже заполнены. Эти металлы с недостроенны-

ми

el- или /-уровнями называются металлами

переходных

групп.

Остальные металлы, имеющие полностью заполненные d- или /-уровни

(пли

со свободными (/-уровнями для металлов малых атомных номеров),

называются

простыми.

Металлы переходных групп отличаются от простых по своим свой-

ствам. Недостроенные внутренние электронные

el-

или /уровни определяют

свойства переходных металлов: переменную валентность, парамагнетизм,

ферромагнетизм некоторых элементов (например, Fe, Ni, Co), большую теп-

лоту

сублимации, а следовательно - высокие температуры плавления.

Чистые металлы

в обычном структурном состоянии обладают низкой

Понятие чистый металл весьма условное. В дальнейшем пол термином чистый металл

мы

будем

принимай, металл .чистотой

99,99—99,999%.

Во всех остальных случаях подразуме-

вается технически чистый металл с малым количесшом примесей (99,5—99,9%), получаемый

обычным заводским способом,