Материаловедение. Учебник для студентов высших учебных заведений Арзамасов В. Б., Волчков А. Н
 Скачать 4.56 Mb.
|
|
ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ Арзамасов В.Б., Волчков А.Н., Головин В.А., Кузнецов В.А.. Смирнова Э.Е., Черепахин А.А., Шлыкова А.В., Шпунькин Н.Ф. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ под редакцией д.т.н., профессора В.Б. Арзамасова и к.т.н. А.А. Черепахина Учебник Допущено Учебно-методическим объединением по образованию в области автоматизированного машиностроения в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров и магистров «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств» и дипломированных специалистов «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» Москва Издательский центр «Академия» 2007 2 УДК: 669.018.29.004.14(075.8) Авторы: д.т.н., проф., заведующий кафедрой «Технология конструкционных мате- риалов» Арзамасов В.Б., к.т.н., доц. Волчков А.Н., д.т.н., проф., Головин В.А., д.т.н., проф., Кузнецов В.А., к.т.н., доц. В.А.. Смирнова Э.Е., к.т.н., доц. Черепахин А.А., ,к.т.н., доц. Шлыкова А.В., к.т.н., проф. заведующий кафедрой «Кузовостроение и обработка давлением» Шпунькин Н.Ф. Материаловедение и Технология конструкционных материалов. Учебник для студентов высших учебных заведений /Арзамасов В.Б., Волчков А.Н., Головин В.А., Кузнецов В.А.. Смирнова Э.Е., Черепахин А.А., Шпунькин Н.Ф., под редакцией Арзамасова В.Б. и Черепахина А.А. – М., Издательский центр «Академия», 2007, 446 с., Тираж 4000 экз. 28 усл. печ. Листов Примечание: в 2010 г. вышло 2-е стереотипное издание, тираж – 1000 экз. Учебник написан в соответствии с требованием государственного об- разовательного стандарта преподавания обще профессиональных дисциплин: «Материаловедение и технология конструкционных материалов». В учебнике подробно рассмотрены все переделы получения машино- строительной детали (от руды до финишной обработки поверхностей). В первой части учебника рассмотрены виды и свойства конструкцион- ных материалов; теоретические и практические вопросы термо – химическо- го воздействия на эти свойства. Во второй части учебника подробно рассмотрены все переделы полу- чения машиностроительной детали (от руды до финишной обработки по- верхностей). Для студентов машиностроительных ВУЗов конструкторских и техно- логических специальностей. 3 Посвящается памяти д.т.н. профессора Владимира Александровича Белова 1920…2002 г.г. Возглавлявшего кафедру «Технология конструкционных материалов» Московского Государственного технического университета «МАМИ» в 1974…1992 г.г. 4 АННОТАЦИЯ Учебник написан в соответствии с требованием государственного об- разовательного стандарта преподавания обще профессиональных дисциплин: «Материаловедение и технология конструкционных материалов». Учебник предназначен для подготовки дипломированных специалистов машиностроительных специальностей, обучающиеся по направлениям: 651200 «Энергомашиностроение»; 651400 «Машиностроительные техноло- гии и оборудование»; 651500 «Прикладная механика»; 651900 «Автоматиза- ция и управление», 654500 «Электротехника, электромеханика и электротех- нологии»; 657800 «Конструкторско-технологическое обеспечение машино- строительных производств». В первой части учебника рассмотрены кристаллическое строение ме- талла, процессы кристаллизации, пластической деформации и рекристалли- зации. Изложены современные методы испытаний и критерии оценки конст- руктивной прочности материалов, определяющие надежность и долговеч- ность изделий. Описаны фазы, образующиеся в сплавах, и диаграммы со- стояния. Описаны современные конструкционные материалы. Большое вни- мание уделено теории и технологии термической обработки. Во второй части рассмотрены современные и перспективные техноло- гические способы (применяемые в единичном, серийном и массовом произ- водствах): получения и переработки конструкционных материалов; изготов- ления заготовок и деталей машин литьем, методами пластической деформа- ции, сваркой, резанием и другими способами. При рассмотрении каждого способа основной упор делался на: описа- ние основных схем обработки; технологических особенностей, технологиче- ских возможностей способа; технологические требования, предъявляемые способом к заготовкам. Даны практические рекомендации по выбору способа и режима обработки. 5 ЧАСТЬ 1. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Материаловедением называется комплексная наука, изучающая внутреннее строение и свойства материалов и закономерности их изменения под воздействием внешних факторов: тепловых, механических, химических, электромагнитных радиоактивных. Теоретической основой материаловедения являются соответствующие разделы физики и химии твердого тела, однако наука о материалах развивается в основном экспериментальным путем. Условия работы современных изделий машиностроения часто требуют увеличения эксплуатационных характеристик материалов, что во многом определяется крупными достижениями в теории и практике материаловедения. В настоящее время широкое применение нашли новые высокопрочные металлические материалы различного назначения, композиционные материалы, материалы с особыми свойствами (полупроводники и жидкие кристаллы, сверхпроводники, аморфные сплавы), одновременно совершенствовались способы упрочнения деталей термической и химико-термической обработками. Работы отечественных ученых А.А. Бонвара, А.А. Байкова, Г.В. Курдюмова В.Д. Садовского, В.А. Каргина внесли огромный вклад в развитие современной науки о материалах. Все конструкционные материалы можно разделить на следующие группы: металлические материалы – к ним относят материалы и сплавы, которые подразделяются на черные (железо и его сплавы) и цветные (все остальные металлы и сплавы на их основе); неметаллические материалы (резина, пластмассы, стекло, дерево и т.д.); композиционные материалы (могут быть на основе систем металл – металл, металл – неметалл, неметалл – неметалл). 6 ГЛАВА 1. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Из известных в настоящее время элементов Периодической системы Д.И. Менделеева 76 являются металлами, которые обладают рядом характерных свойств: высокими значениями тепло- и электропроводности, положительным температурным коэффициентом электросопротивления, при этом многие металлы обладают сверхпроводимостью при температурах близких к абсолютному нулю, хорошей отражательной способностью, высокой пластичностью и термоэлектронной эмиссией. 1.1. Строение металлических материалов Атомы металлов характеризуются малым количеством (1…2) электронов на наружной электронной оболочке, поэтому их ионизационный потенциал невелик, что и объясняет легкость отрыва у них внешних электронов, при этом атомы превращаются в положительно заряженные ионы, «омываемые газом» из свободных коллективизированных электронов. Таким образом, устойчивость металла, представляющего собой ионно-электронную систему, определяется силами притяжения и отталкивания между ионами и обобщенными электронами, образуя металлическую связь. Атомы в металле располагаются на расстояниях друг от друга, соответствующих минимальной суммарной силе взаимодействия, образуя правильную кристаллическую решетку, соответствующую минимальной энергии взаимодействия. Свойства кристаллов зависят от электронного строения атомов и характера взаимодействия их в кристалле, а так же от пространственного расположения атомов и их химического состава. Чистые металлы, как правило, обладают низкой прочностью и применяются сравнительно редко. Наиболее широко в современной технике используются сплавы, состоящие из двух или более элементов, которые называются компонентами. Компоненты образуют фазы – составные части системы, имеющие одинаковый состав и агрегатное состояние, отделенные от других фаз границей раздела, при переходе через которую свойства меняются скачком. Форма, размеры, характер взаимного 7 расположения фаз в металлах или сплавах описывается понятием структура. При исследованиях кристаллической структуры металлов и сплавов изучаются макро- и микроструктуры, а также тонкая (атомная) структура. Макроструктура изучается невооруженным глазом или при небольших увеличениях с помощью лупы и позволяет выявить характер излома, усадочные раковины, поры, размеры и форму крупных кристаллов. Используя специально подготовленные шлифованные и травленые образцы, определяют наличие трещин, химическую неоднородность (ликвацию), волокнистость. Несмотря на простоту, исследование макроструктуры дает общую картину кристаллического строения металла или сплава в больших объемах и позволяет выбрать характерные участки структуры для дальнейших более детальных исследований. Исследование микроструктуры проводят с помощью оптических и электронных микроскопов на специально приготовленных образца (микрошлифах, фольгах). Микроскопические методы дают возможность определить размеры и форму кристаллов, их распределение и относительные объемные количества, форму инородных включений и микропустот, ориентирование кристаллов, наличие специальных кристаллографических признаков и другие особенности микроструктуры металлов и сплавов. Тонкую или атомную структуру изучают с помощью дифракционных методов анализа (рентгенография, электронография, нейтронография). Анализируя дифракционную картину, полученную при взаимодействии атомов кристалла с короткими волнами ( =10 -10 …10 -12 м) рентгеновских лучей (или волн электронов, нейтронов) можно получить информацию о расположении атомов в кристаллической решетке и расстояниях между ними, т.е. определить тип кристаллической решетки материала. Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие твердое кристаллическое тело ( рис. 1.1). Жирными линиями 8 выделен наименьший параллелепипед (кристалл), последовательным перемещением которого в пространстве вдоль трех осей может быть построена вся решетка или кристалл. Наименьший параллелепипед (кристалл), дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме, называется элементарной ячейкой. Для описания элементарной ячейки кристаллической решетки используют три отрезка (а, в, с), равные расстояниям до ближайших соседей по осям координат, и три угла ( , , γ) между этими отрезками. Соотношения между этими величинами определяются симметрией, согласно которой все кристаллы подразделяют на семь систем – сингоний (табл. 1.1). Большинство металлов имеют кристаллическую решетку одного из трех типов: Объемно-центрированный куб – ОЦК ( рис. 1.2, а) – имеют металлы: К, Na, Li, Ti, Zr , W, Ta, Fe α , Cr и др.; гранецентрированный куб – ГЦК ( рис. 1.2, б) – имеют металлы: Fe β , Sr, Tn, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Cu, Co α и др.; гексагональный плотноупакованная – ГПУ ( рис. 1.2, в) – имеют металлы: Mg, Ti α , Cd, Os, Zn, Co β и др. 9 Рис. 1.1. Схема кристаллической решетки: ОX, ОY, ОZ – координатные оси: a, b, c, α, β, γ – линейные и угловые характеристики решетки. Размеры кристаллической решетки характеризуются величинами периодов, (а, в, с), под которым подразумевают расстояние между ближайшими параллельными атомными плоскостями, образующими элементарную ячейку. Периоды решетки выражаются в нанометрах (1нм=10 -11 м). Для простой пространственной Таблица 1.1. Кристаллические системы элементов система Ребра Углы Триклинная а в с γ 10 Моноклинная а в с = =90 0 γ 90 0 Ромбическая а в с = =γ=90 0 Ромбоэдрическая а=в=с = =γ=90 0 Гексагональная а=в с = =90 0 =120 0 Тетрагональная а=в с = =γ=90 0 Кубическая а=в=с = =γ=90 0 Рис. 1.2. Кристаллические решетки металлов: а – объемно – центрированный куб; б – гранецентрированный куб; в – гексагональная плотно упакованная решетка; г - кристаллографические индексы; a, b – характеристики решетки; x, y, z – координатные оси; [010], [110], [111] – индексы направления; (010), (111) – индексы плоскости. решетки (атомы находятся только в вершинах) на одну элементарную ячейку всегда приходится один атом. Каждая ячейка имеет восемь вершин, соответственно восемь атомов, но каждый атом относится, в свою очередь, к восьми соседним ячейкам. Таким образом, от атома на долю каждой ячейки приходится 1/8 объема атома, а на всю ячейку (1/8)·8=1 атом. 11 Кристаллические решетки, характерные для металлов, имеют сложное строение, так как атомы (ионы) располагаются не только в узлах (вершинах), но и на гранях или в центре решетки. Так, на одну элементарную ячейку: ОЦК приходится два атома – один в центре, другой – в вершинах куба (1+8·1/8); на ячейку ГЦК четыре атома – один в вершинах куба и три на его гранях (8·1/8+6·1/2) на ячейку ГПУ – шесть атомов (3+12·1/6+12·1/2=6). Основные характеристики кристаллической решетки (тип, период, количество атомов в элементарной ячейке) определяют расположение атомов в кристалле. Плотность кристаллической решетки характеризуется координационным числом, (К - для кубической и Г – для гексагональной решеток) равным числу ближайших равноудаленных соседей. В элементарной ячейке ОЦК расстояние между атомами равно: а 3 5 , 0 , и координационное число равно восьми – К8, для ГЦК координационное число равно К12 и для ГПУ – Г12. Отношение объема всех атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку ко всему ее объему, определяется коэффициентом компактности. Для ОЦК решетки он составляет 0,68, а для ГЦК и ГПУ решеток коэффициент компактности равен 0,74. Кристаллографические индексы Для определения индексов направления расположения ряда атомов ( рис. 1.2, г) в кристаллической решетке, необходимо из семейства параллельных прямых выбрать одно направление, проходящее через начало координат, которое будет первой точкой. Второй точкой является узел кристаллической решетки, занимаемый атомом. Координаты этого узла выражают целыми числами «A, B, C» в единицах отрезков «а, в, с» заключают в квадратные скобки A, B, C и называют индексами направления. Отрицательные значения индексов обозначают знаком «минус» над ним. Положение плоскостей в пространстве определяется отрезками, отсекаемыми плоскостью по координатным осям. Эти отрезки выражаются целыми числами «m, n, p» в единицах отрезков «а, в, с». За индексы плоскостей берут 12 обратные отрезки: h =1/m; k=l/n, l=1/p которые заключают в круглые скобки (h, k, l). Если плотность отсекает по осям отрицательные отрезки, то над соответствующим индексом ставят знак «минус» Анизотропия В кристалле расстояние между атомами в различных кристаллографических направлениях неодинаковы, поэтому и свойства кристаллических тел зависят от направления, т.е. возникает анизотропия. В отличие от монокристаллов технические металлы являются поликристаллами, состоящими из большого количества различно ориентированных анизотропных кристаллов. В этом случае анизотропии нет, так как среднестатистическое расстояние между атомами по всем направлениям оказывается примерно одинаковым, т.е. поликристаллическое тело является изотропным. Однако в процессе обработки давлением поликристалла возникает преимущественная ориентировка кристаллографических индексов, в каком то направлении. После такой обработки поликристалл становится текстурованным и анизотропным. Дефекты кристаллической решетки Реальный кристалл отличается от идеального наличием различных структурных несовершенств - дефектов, которые могут быть точечными, линейными, поверхностными и объемными. Размеры точечных дефектов близки к межатомному расстоянию. У линейных дефектов длина на несколько порядков больше ширины, у поверхностных дефектов мала толщина, а ширина и длина больше ее на несколько порядков. Объемные дефекты (поры, трещины) имеют значительные размеры во всех трех направлениях. К точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы основного вещества, чужеродные атомы внедрения и замещения. Вакансией называется пустой узел кристаллической решетки. Атом, перемещенный из узла в позицию между узлами, называется межузельными. 13 Если чужеродный атом находится между узлами или на ребрах решетки, то это атом внедрения, а в случае его расположения в свободном узле кристаллической решетки – атом замещения. Рассмотрим механизм образования вакансий в кристалле. Вокруг узлов решетки (точек равновесия) атомы совершают колебательные движения. Чем выше температура тела, тем больше энергия атомов и амплитуда их колебаний. Отдельные атомы реального тела всегда имеют энергию и амплитуду колебаний выше средней. Эти атомы могут покидать свои места в кристаллической решетке и перемещаться между ее узлами ( рис. 1.3, а, атом 1). Рис. 1.3. Точечные и линейные дефекты кристаллической решетки металлов: а - механизм образования точечных дефектов; б - краевая дислокация; в - пространственная модель образования винтовой дислокации; г - расположение атомов в области винтовой дислокации: 1 –дислоцированный атом; 2, 3 – перемещающиеся атомы; 4-5 – экстраплоскость; G- плоскость сдвига кристалла; А-В – сдвинутая часть кристалла; М-М - плоскость перемещения дислокаций; С-D – несдвинутая часть кристалла; E-F – винтовая дислокация. 14 Место, где находится атом 1 (вакансия) занимает атом 2 из более глубоких слоев, на его место перемещается атом 3 и так далее, т.е. вакансия продвигается вглубь кристалла, при этом происходит искажение кристаллической решетки. Источником тепловых вакансий являются свободные поверхности, границы и субграницы кристаллов, пустоты и трещины. При температурах, близких к температуре плавления, число вакансий может достигать 1…2% от числа атомов в теле. Также вакансии могут образоваться в результате пластической деформации, рекристаллизации и при бомбардировке металла атомами или частицами высоких энергий. Важнейшими видами линейных несовершенств являются краевые и винтовые дислокации. Сдвинем часть идеального кристалла на одно межатомное расстояние, например, влево ( рис. 1.3, б). В таком случае, в верхних рядах кристалла оказалось на один атом больше, чем в нижних, и образовалась лишняя плоскость 4-5 (экстра-плоскость). Линия, перпендикулярная направлению сдвига кристалла, является краем экстраплоскости. Она называется линейной краевой дислокацией и может достигать многих тысяч межатомных расстояний. Разрежем кристалл плоскостью G и часть его сдвинем вверх на одно межатомное расстояние ( рис. 1.3, в). Горизонтальные атомные плоскости изогнутся, и край каждой плоскости сомкнется с краем ближайшей соседней плоскости. Расположение атомов в сдвинутой (АВ) и несдвинутой части (СD) даст винтовую линию. На рис. 1.3, г белыми кружками обозначены атомы сдвинутой части, черными несдвинутой. Линия ЕF представляет собой винтовую дислокацию, при наличии которой кристалл как бы состоит из закрученных по винту кристаллографических плоскостей. Вокруг дислокаций решетка искажена, поэтому они служат местом концентрации примесных атомов, в особенности примесей внедрения, которые мешают движению дислокаций и упрочняют металл. 15 На рис. 1.4 показана зависимость предела текучести ( т ) от плотности дислокаций ( ). Теоретически рассчитанная прочность идеального кристалла в 10 3 раз выше экспериментально определенных значений для реального кристалла. Прочность практически бездефектных кристаллов (нитевидные кристаллы или «усы») приближается к теоретической. Наименьшими значениями прочности обладают отожженные металлы, при увеличении плотности дислокаций и уменьшении их подвижности путем различных видов обработки (давление, термообработка и т.д.) прочность увеличивается в несколько раз. Реальное твердое тело имеет поликристаллическое строение, т.е. состоит из множества кристаллов, соприкасающихся между собой. Отдельные кристаллы, образованные из множества элементарных кристаллов, получили название «зерно». Рис. 1.4. Зависимость предела текучести от плотности дислокаций: σ т – предел текучести; ρ – плотность дислокаций. На границах соседних зерен и образуются поверхностные дефекты, представляющие собой переходную область шириной 3…4 межатомных расстояний. В этой области решетка одного кристалла переходит в решетку другого, имеющего иную кристаллографическую ориентацию ( рис. 1.5, а), образуя большеугловые границы зерен (углы разориентировки составляют десятки градусов) Каждое зерно, в свою очередь, состоит из субзерен 16 (блоков), которые представляют собой часть кристалла относительно правильного строения, а его границы – стенки дислокаций. Угол взаимной разориентировки между соседними субзернами невелик (менее 5 о ), поэтому такие границы называются малоугловыми или субграницами ( рис. 1.5, б). В результате реальный металл имеет сложную дислокационную структуру, называемую мозаичной или блочной ( рис. 1.5, в), которая определяет его свойства. Поверхностные дефекты влияют на свойства металлов. Так, предел текучести т связан с размером зерен d зависимостью т = 0 +кd -1/2 , где 0 , к – постоянные для данного материала. Чем мельче зерно, тем выше предел текучести, вязкость и меньше опасность хрупкого разрушения. Под влиянием внешних факторов (механические нагрузки, тепловое воздействие) меняется количество и плотность дефектов, что отражается на свойствах металлов и имеет большое практическое значение. Рис. 1.5. Схемы строения границ и блочной (мозаичной) структуры кристаллов: а - схема размещения атомов в области границ зерен металла: 1- зерно № 1; 2 - граница; 3 – зерно № 2; б - малоугловая граница; в - блочная структура кристалла Диффузия Под диффузией понимают перемещения атомов в кристаллическом теле на расстояния, превышающие средние межатомные данного вещества. 17 Перемещения атомов, не связанных с изменением концентрации в различных объемах, называется самодиффузией. Диффузия, сопровождающаяся изменением концентрации, происходит в сплавах или в металлах с повышенным содержанием примесей и называется диффузией или гетеродиффузией. В основе процесса диффузии в кристаллах лежит атомный механизм, при котором каждый, атом совершает ряд перемещенный между различными равновесными положениями в кристаллической решетке. Для описания процесса диффузии в твердом кристаллическом теле предложено несколько возможных механизмов: циклический; объемный, вакансионный и межузельный. При циклической диффузии ( рис. 1.6, а) совместно перемещаются группы атомов (атомы 1-4). Такая диффузия не требует больших затрат энергии, но маловероятна. При обменном механизме диффузия ( рис. 1.6, б) атомы меняются местами (атомы 1-2). В металлах и сплавах диффузия преимущественно осуществляется по вакансионному механизму ( рис. 1.6, в), при этом происходит замещение вакансий и их перемещений вглубь металла. При диффузии в металле элементов с малым атомным радиусом (углерод, азот, водород, кислород) происходит диффузии по межузельному механизму ( рис. 1.6, г). Рис. 1.6. перемещение атомов в кристаллической решетке металлов: а - циклическая диффузия; б - обменный механизм диффузии; в - вакансионная диффузия; г - межузельная диффузия; 1, 2, 3, 4 – перемещающиеся атомы. 18 Наиболее легко диффузия протекает по поверхности и границам зерен, где сосредоточены дефекты кристаллического строения (вакансии, дислокации). Скорость диффузии определяется количеством вещества «m», продиффундировавшего через единицу площади поверхности раздела за единицу времени. Количество диффундирующего вещества в единицу времени «m», зависит от градиента концентраций «dc/dx» элемента в направлении, нормальном к поверхности раздела и пропорционально коэффициенту диффузии «D» м 2 /сек: m = - D dc/dx, где dc – концентрация; dx – расстояние в выбранном направлении. Знак «минус» указывает, что диффузия (самодиффузия) протекает в направлении от объемов с большей концентрацией к объемам с меньшей концентрацией. Коэффициент диффузии, т.е. количество вещества, продиффундировавшего через единицу времени при перепаде концентраций, равной единице, зависит то природы сплава, размеров зерна и особенно сильно от температуры. Температурная зависимость коэффициента диффузии описывается экспоненциальным уравнением: D=D o e -Q/RT , где D o –множитель, величина которого определяется типом кристаллической решетки; R – газовая постоянная; T – температура, Q – энергия активации диффузии. Энергия активации диффузии характеризует энергию связи атомов в кристаллической решетке и очень сильно влияет на коэффициент диффузии. Диффузия лежит в основе большинства фундаментальных процессов, протекающих в металлах и сплавах, таких как кристаллизация, фазовые превращения, рекристаллизация, деформация, химико-термическая обработка и других |