Глава 1. Металлы и сплавы

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Петрозаводский государственный университет»

Кольский филиал

С.М. Маслобоева

Материаловедение

Часть II

Металлы и сплавы, материалы на основе

Различных веществ

Учебное пособие

Апатиты

УДК 622:620.2

ББК 30.3

Печатается по решению редакционно-издательского совета Кольского филиала Петрозаводского государственного университета

Рецензенты:

В.Н. Колосов

доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Института химии

и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева

Кольского научного центра РАН

В.И. Иваненко

кандидат химических наук, доцент кафедры химии

Мурманского государственного технического университета

Горный факультет

Кольского филиала Петрозаводского государственного университета

Маслобоева С.М.

Материаловедение. Часть II. Металлы и сплавы, материалы на основе различных веществ: учеб. пособие / Автор-составитель: С.М. Маслобоева. – Апатиты: КФ ПетрГУ, 2010. – 120 с.

Учебное пособие содержит курс лекций по дисциплине «Материаловедение и технология конструкционных материалов», читаемый студентам Кольского филиала Петрозаводского государственного университета. Во II части пособия излагаются теоретические основы металловедения: теория железоуглеродистых сплавов (стали и чугуны), учение о пластической деформации, теория и практика термической обработки и поверхностного упрочнения, высокочастотная закалка и химико-термическая обработка. Описаны конструкционные и инструментальные стали, стали и сплавы с особыми физическими и химическими свойствами, цветные сплавы и материалы порошковой металлургии. Приведена характеристика полимерных пластических материалов и материалов из органических и неорганических минеральных веществ.

Подготовлено в соответствии с государ­ственными образовательными стандартами и предназначено для студентов очной и заочной форм обучения технических специальностей: 130401 «Физические процессы (горного или нефтегазового) производств, 130403 «Открытые горные работы», 130404 «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых», 130405 «Обогащение полезных ископаемых», 140402 «Теплофизика», 140201 «Высоковольтные электроэнергетика и электротехника», 210301 «Радиофизика и электроника». Учебное пособие может быть полезно аспирантам и инженерам.

Ил.- 30, библиогр.- 15 назв.

УДК 622:620.2

ББК 30.3

Ó С.М. Маслобоева, 2010

Ó Кольский филиал Петрозаводского

государственного университета, 2010

Содержание

Введение.. 6

Глава 1. Металлы и сплавы... 7

1.1. Железо и сплавы на его основе. 8

1.1.1. Система железо – углерод. 8

1.1.1.1. Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов. 8

1.1.1.2. Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов. 11

1.1.1.3. Структуры железоуглеродистых сплавов. 12

1.1.2. Стали и сплавы.. 14

1.1.2.1. Влияние углерода и примесей на свойства сталей. 14

1.1.2.2. Назначение легирующих элементов. 16

1.1.2.3. Классификация сталей. 17

1.1.2.4. Маркировка сталей. 18

1.1.2.5. Конструкционные стали и сплавы.. 19

1.1.2.5.1. Конструкционные строительные стали и сплавы.. 19

1.1.2.5.2. Конструкционные машиностроительные стали и сплавы общего назначения 20

1.1.2.5.3. Конструкционные машиностроительные стали и. 21

сплавы специального назначения. 21

1.1.2.6. Инструментальные стали и сплавы.. 25

1.1.2.7. Стали и сплавы с особыми физическими свойствами. 27

1.1.2.7.1. Стали и сплавы с заданным температурным.. 27

коэффициентом линейного расширения. 27

1.1.2.7.2. Стали и сплавы с высоким электросопротивлением.. 27

1.1.2.7.3. Магнитные стали и сплавы.. 28

1.1.3. Чугуны.. 29

1.1.3.1. Диаграмма состояния железо – графит. 29

1.1.3.2. Процесс графитизации. 30

1.1.3.3. Строение, свойства, классификация и маркировка чугунов. 32

1.1.3.3.1. Влияние состава чугуна на процесс графитизации. 33

1.1.3.3.3. Серый чугун. 33

1.1.3.3.4. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом.. 34

1.1.3.3.5. Ковкий чугун. 34

1.1.3.3.5. Отбеленные и другие чугуны.. 35

1.1.4. Виды термической обработки металлов. 36

1.1.4.1. Превращения, протекающие в структуре стали при нагреве и охлаждении. 37

1.1.4.2. Технологические возможности и особенности отжига, 44

нормализации, закалки и отпуска. 44

1.1.4.2.1. Отжиг и нормализация. Назначение и режимы.. 45

1.1.4.2.2. Закалка. 47

1.1.4.3.3. Отпуск. 50

1.1.5. Химико-термическая обработка стали. 50

1.1.6. Методы упрочнения стали. 52

1.1.6.1. Термомеханическая обработка стали. 52

1.1.6.2. Поверхностное упрочнение стальных деталей. 53

1.1.6.2.1. Закалка токами высокой частоты.. 53

1.1.6.2.2. Газопламенная закалка. 54

1.1.6.3. Старение. 54

1.1.6.4. Обработка стали холодом.. 55

1.1.6.5. Упрочнение методом пластической деформации. 56

1.2. Титан и сплавы на его основе. 56

1.3. Тугоплавкие металлы и сплавы на их основе. 58

1.4. Цветные металлы и сплавы на их основе. 60

1.4.1. Медь и сплавы на ее основе. 60

1.4.1.1. Медь. 60

1.4.1.2. Латуни. 60

1.4.1.3. Бронзы.. 61

1.4.1.4. Медно-никелевые сплавы.. 63

1.4.2. Алюминий и сплавы на его основе. 64

1.4.2.1. Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой. 64

1.4.2.2. Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой. 64

1.4.2.3. Литейные алюминиевые сплавы.. 65

1.4.3. Магний и сплавы на его основе. 65

1.4.3.1. Деформируемые магниевые сплавы.. 65

1.4.3.2. Литейные магниевые сплавы.. 65

1.4.4. Антифрикционные (подшипниковые) сплавы на оловянной, 66

свинцовой и цинковой основах. 66

1.4.5. Припои. 67

1.5. Композиционные материалы.. 68

1.6. Материалы порошковой металлургии. 70

1.6.1. Пористые порошковые материалы.. 71

1.6.2. Конструкционные порошковые материалы.. 72

1.6.3. Электротехнические порошковые материалы.. 73

1.6.4. Магнитные порошковые материалы. 73

1.7. Металлические стекла. 74

глава 2. МАТЕРИАЛЫ ИЗ НЕОРГАНИЧЕСКИХ.. 76

МИНЕРАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ.. 76

2.1. Разрыхленные, дисперсные и каменные материалы.. 76

2.1.1. Каменные природные материалы.. 76

2.1.2. Минеральные неорганические вяжущие вещества и материалы на их основе. 78

2.1.3. Искусственные каменные материалы.. 80

2.1.3.1. Бетоны.. 80

2.1.3.2. Силикатные материалы и изделия автоклавного твердения. 85

2.1.3.3. Строительные растворы.. 86

2.2. Каменные плавленые материалы (каменное литье) 87

2.3. Неорганические полимерные материалы.. 88

2.3.1. Графитовые материалы.. 88

2.3.2. Асбестовые материалы и изделия. 89

2.3.3. Слюдяные материалы.. 90

2.3.4. Керамические материалы.. 91

2.3.5. Неорганическое стекло. 93

2.3.6. Ситаллы.. 95

глава 3. Полимерные пластические материалы (пластмассы) 97

3.1. Состав пластических материалов. 99

3.2. Характеристики пластмасс и изделий на их основе. 100

3.2.1. Пластмассы с листовым наполнителем.. 100

3.2.2. Пластмассы с волокнистым наполнителем.. 103

3.2.3. Пластмассы без наполнителя. 104

3.2.4. Пластмассы с газовоздушным наполнителем.. 104

3.2.5. Стандартизированные изделия из пластмасс. 105

глава 4. материалы из органических веществ.. 107

4.1. Лесоматериалы.. 107

4.1.1. Круглые лесоматериалы.. 108

4.1.2. Пиломатериалы.. 108

4.1.3. Древесные материалы и изделия на их основе. 109

4.2. Бумажные материалы.. 111

4.2.1. Бумага и изделия на ее основе. 111

4.2.2. Картон и изделия на его основе. 112

4.3. Резиновые материалы.. 113

4.3.1. Состав резиновых материалов. 113

4.3.2. Классификация резиновых материалов по назначению и области применения. 114

4.4. Органические вяжущие вещества и материалы на их основе. 116

4.4.1. Битумные и дегтевые вещества. 116

4.4.2. Асфальтовые строительные растворы и бетоны.. 117

4.4.3. Мастики кровельные и гидроизоляционные. 119

4.4.4. Нефтяные эмульсии и пасты.. 119

Список использованных источников.. 120

Введение

Материаловедение — междисциплинарный раздел науки, изучающий изменения свойств материалов, как в твердом, так и в жидком состоянии в зависимости от некоторых факторов.

Важнейшими материалами, используемыми в различных областях, являются металлы и сплавы на их основе. В связи с этим основной частью материаловедения является металловедение, в развитии которого, ведущую роль сыграли российские ученые: Аносов П.П., Чернов Д.К., Курнаков Н.С., Гуляев А.П. и другие.

Особенно интенсивно развивается металловедение в последние десятилетия. Это объясняется потребностью в новых материалах для исследования космоса, развития электроники, атомной энергетики.

Основными направлениями в развитии металловедения является разработка способов производства чистых и сверхчистых металлов, свойства которых сильно отличаются от свойств металлов технической чистоты, с которыми преимущественно работают. Генеральной задачей материаловедения является создание материалов с заранее рассчитанными свойствами применительно к заданным параметрам и условиям работы. Большое внимание уделяется изучению металлов в экстремальных условиях (низкие и высокие температуры и давление).

До настоящего времени основной материальной базой для ряда отраслей промышленности служила черная металлургия, производящая стали и чугуны. Эти материалы имеют много положительных качеств и в первую очередь обеспечивают высокую конструкционную прочность деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки как большая плотность, низкая коррозионная стойкость. Потери от коррозии составляют 20% годового производства стали и чугуна. Поэтому, по данным научных исследований, через 20…40 лет все развитые страны перестроятся на массовое использование металлических сплавов на базе титана, магния, алюминия. Эти легкие и прочные сплавы позволяют в 2-3 раза облегчить станки и машины, в 10 раз уменьшить расходы на ремонт.

Широкое использование приобретают новые материалы взамен традиционных (металлических) – это пластмассы, керамики, материалы порошковой металлургии, композиционные материалы, что ведет к экономии дефицитных металлов, снижению затрат энергии на производство материалов, уменьшению массы изделий.

Для проведения обоснованного выбора материала для изделий с учетом условий их эксплуатации необходимо ознакомление с основными группами современных материалов, их свойствами и областью применения.

Цель учебного пособия изложена в его I части (Материаловедение. Часть I. Основные понятия о строении, структуре и свойствах материалов: учеб. пособие / Автор-составитель С.М. Маслобоева. – Апатиты: КФ ПетрГУ, 2009. – 103 с.).

Основу учебного пособия составляют труды Геллера Ю.А., Лахтина Ю.М., Дрица М.Е., Леонтьева В.П., Смита М., Хансена М, Болховитинова Н.Ф, Арзамасова Б.Н., Фетисова Г.П., Ржевской С.В. и др. в области теории и практики использования различных металлов и сплавов, материалов из органических и нерганических минеральных веществ, полимерных материалов.

Учебное пособие подготовлено в соответствии с Государ­ственным образовательным стандартом по специальностям: 130401 «Физические процессы (горного или нефтегазового) производств, 130403 «Открытые горные работы», 130404 «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых», 130405 «Обогащение полезных ископаемых», 140402 «Теплофизика», 140201 «Высоковольтные электроэнергетика и электротехника», 210301 «Радиофизика и электроника».

Пособие может быть использовано студентами, аспирантами и преподавателями инженерно-технических специальностей.

Глава 1. Металлы и сплавы

Металлы— простые вещества, обладающие в обычных условияххарактерными свойствами: высокими электро- и теплопроводностями, отрицательным температурным коэффициентом электропроводности, способностью хорошо отражать электромагнитные волны (блеск и непрозрачность), высокой прочностью и пластичностью. Свойства металлов могут значительно измениться при очень высоких давлениях (10¹⁰...10¹¹ Па). Многие металлы в зависимости от температуры и давления могут существовать в виде нескольких кри­сталлических модификаций.

Подобными металлическими свойствами обладают более 80 химических элементов и множество металлических сплавов. Число металлических сплавов, применяемых в технике, исчисляется многими тысячами и постоянно возрастает в соответствии с возникающими новыми и разнообразными требованиями отдельных отраслей промышленности.

Свойства металлов обусловлены их кристаллическим строением и наличием в их кристаллической решетке большого количества не связанных с атомными ядрами подвижных электронов проводимости. Слабая связь валентных электронов с ядрами атомов обусловливает химические свойства металлов: они легко об­разуют основные оксиды и гидрооксиды, большинство металлов за­мещает водород в кислотах и т.д.

Многие металлы кристаллизуются с атомным строением в виде ОЦК, ГЦК и ГПУ кристаллических решеток. В парообразном состоянии металлы одноатомны.

Металлические сплавы по свойствам имеют много общего с металлами, поэтому их нередко относят к металлам.

Металлы и сплавы в промышленности разделяют на две ос­новные группы: черные и цветные металлы.

Черные металлы — сплав железа с углеродом, в котором могут содержаться в большем или меньшем количестве и другие химические элементы. Кобальт, никель, а также близкий к ним по свойствам мар­ганец нередко относят к черным металлам. Черные металлы получили наибольшее распространение, что обусловлено относительно высоким содержанием железа в земной коре, его низкой стоимостью, высокими механическими и технологическими свойствами.

Цветные металлыпо свойствам подразделяют на группы:

легкие металлы (Be, Mg, Al, Ti), обладающие сравнительно ма­лой плотностью — до 5000 кг/ м³;

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, Au и др.), обладаю­щие химической инертностью;

урановые металлы (U, Th, Pa) — актиноиды, используемые в атомной технике;

редкоземельные металлы (РЗМ), лантаноиды (Се, Pr, Nd, Sm и др.) и сходные с ними иттрий и скандий, применяемые как присадки к различным сплавам;

щелочнные металлы (Li, Na, К), используемые в качестве теплоносителей в ядерных реакторах.

Классификация металлических сплавов по химическому соста­ву, основанная на указании главного компонента сплава (железо, медь, алюминий и др.), имеет традиционный характер и получила наибольшее распространение. Однако внутри таких классов, опреде­ленных с учетом химического состава по главному компоненту спла­ва, распределение на группы и подгруппы чаще всего проводится по характерным особенностям в свойствах или по области применения данного сплава или нескольких сплавов.