Арзамасов Б. Н. - Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений

Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. Б. Н. Арзамасов, И. И. Сидорин, Г. Ф. Косолапое и др.; Под общ. ред. Б. Н. Арзамасова.—2-е изд., испр. и доп.— М.: Машиностроение, 1986.—384 с, ил.

В пер.: 1 р. 60 к.

Изложены закономерности формирования структуры кристаллических материалов в процессе кристаллизации из жидкого состояния, а также пластического деформирования и термической обработки. Покатано влияние структуры на физико-механические свойства материалов и их зависимость от условий работы. Обоснована возможность применения различных технологических способов обработки для обеспечения требуемых свойств.

Второе издание (1-е изд. J976 г.) написано в соответствии с новой учебной программой курса.

© Издательство «Машиностроение», 1976 г.

© Издательство «Машиностроение», 1986 г., с изменениями.

Издание посвящается памяти Ивана Ивановича Сидорина — основателя школы материаловедения в машиностроении

Книга написана в соответствии с учебными программами курса «Материаловедение», который авторы на протяжении многих лет читают в Московском высшем техническом училище им. Н. Э. Баумана. Первый в нашей стране учебник по курсу «Материаловедение» для машиностроительных вузов был издан в МВТУ профессором И. И. Сидориным в 1930 г.

Учебник «Основы материаловедения» вышел в свет в 1976 г. под редакцией заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, доктора технических наук профессора И. И. Сидорина. С тех пор произошли изменения в науке о материалах, были созданы новые сплавы и композиционные материалы, изменились программы курсов «Материаловедение» для машиностроительных и приборостроительных специальностей вузов. В связи с этим во второе издание учебника внесены соответствующие изменения и дополнения. В частности, авторы сделали попытку отступить от традиционного изложения «систематики» материалов, классифицируя их по эксплуатационным свойствам, не регламентируемым стандартами. Это позволит будущим конструкторам и технологам лучше ориентироваться в выборе материалов для деталей машин и приборов.

Некоторые из рассматриваемых в учебнике вопросов являются факультативными для машиностроительных либо приборостроительных специальностей, что определяется программой соответствующего вуза.

Авторский коллектив глубоко признателен доктору технических наук профессору И. С. Козловскому за ценные пожелания и рекомендации, сделанные им при рецензировании рукописи, а также коллективу кафедры «Материаловедение» МВТУ им. Н. Э. Баумана за помощь при подготовке данного издания учебника.

Введение

Материаловедением называют прикладную науку о связи состава, строения и свойств материалов. Решение важнейших технических проблем, связанных с экономией материалов, уменьшением массы машин и приборов, повышением точности, надежности и работоспособности механизмов и приборов во многом зависит от развития материаловедения. Непрерывный процесс создания новых материалов для современной техники обогащает науку о материалах, которая стимулирует появление новых технических идей. Революционную роль сыграли полупроводниковые материалы и жидкие кристаллы в электронике, композиционные материалы в авиации и ракетостроении, сверхпроводники и аморфные сплавы в электронике и радиотехнике и т. д.

Теоретической основой материаловедения являются соответствующие разделы физики и химии, однако наука о материалах в основном развивается экспериментальным путем. Поэтому разработка новых методов исследования строения (структуры) и физико-механических свойств материалов способствует дальнейшему развитию материаловедения.

Электронная микроскопия тончайших металлических фолы и нейтронография позволяют изучать элементы кристаллической структуры, ее дефекты и закономерности превращений под воздействием внешних факторов (температура, давление и др.).

Изучение физических (плотность, электропроводимость, теплопроводность, магнитная проницаемость и др.), механических (прочность, пластичность, твердость, модуль упругости и др.), технологических (жидкотекучесть, ковкость, обрабатываемость резанием и др.) и эксплуатационных свойств (сопротивление коррозии, изнашиванию и усталости, жаропрочность, хладостойкость и др.) позволяет определить области рационального использования различных материалов с учетом экономических требований.

Большой вклад в развитие науки о материалах внесли русские и советские ученые. П. П. Аносов (1799—1851 гг.) впервые установил связь между строением стали и ее свойствами. Д. К. Чернов (1839-1921 гг.), открывший полиморфизм стали, всемирно признан основоположником научного металловедения. Большое значение в развитии методов физико-химического исследования и классификации сложных фаз в металлических сплавах имели работы Н. С. Курнакова (1860-1941 гг.) и его учеников. Разработка теории и технологии термической обработки стали связана с именами С. С. Штейнберга (1872 — 1940 гг.), Н. А. Минкевича (1883 -1942 гг.).

Исследованию механизма и кинетики фазовых превращений в металлических сплавах посвящены работы крупных советских ученых С. Т. Конобеевского, А. А. Байкова, Г. В. Курдюмова, В. Д. Садовского, А. А. Бочвара, С. Т. Кишкина, Н. В. Агеева и многих других.

Работы крупнейшего русского химика A. М. Бутлерова (1828-1886 гг.), создавшего теорию химического строения органических соединений, создали научную основу для получения синтетических полимерных материалов. На основе работ С. В. Лебедева впервые в мире было создано промышленное производство синтетического каучука. Большое значение для развития полимерных материалов имели структурные исследования B. А. Каргина и его учеников.

Среди зарубежных ученых большой вклад в изучение железоуглеродистых сплавов внесли А. Ле-Шателье (Франция), Р. Аустен (Англия), Ф. Осмонд (Франция) и др. Важнейшие рентгено-структурные исследования сплавов провели М. Лауэ и П. Дебай (Германия), У. Г. Брэгг и У. Л. Брэгг (Англия). Широко известны работы Э. Бейна, Р. Мейла (США) и Велера (Германия) в области теории фазовых превращений в сплавах. Над созданием полимерных материалов работали К. Циглер (ФРГ) и Д. Натта (Италия).

Глава 1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

В природе существуют две разновидности твердых тел, различающиеся по своим свойствам,- кристаллические и аморфные.

Кристаллические тела остаются твердыми, т. е. сохраняют приданную им форму, до вполне определенной температуры, при которой они переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении.

Переход из одного состояния в другое протекает (рис. 1.1) при определенной температуре плавления. Аморфные тела при нагреве размягчаются в большом температурном интервале, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении.

Кристаллическое состояние твердого тела более стабильно, чем аморфное. Аморфные тела в отличие от жидкостей имеют пониженную подвижность частиц. Аморфное состояние можно зафиксировать во многих органических и неорганических веществах ускоренным охлаждением из жидкого состояния. Однако при повторном нагреве, длительной выдержке при температурах 20-25 °С, а в некоторых случаях при деформации, нестабильность аморфного твердого тела проявляется в частичном или полном переходе в кристаллическое состояние.

Примерами такого перехода могут служить помутнение неорганических стекол при нагреве и оптики при длительном использовании, частичная кристаллизация плавленого янтаря при нагреве и дополнительная кристаллизация капроновой нити при растяжении, сопровождающаяся упрочнением. Частичная кристаллизация при повторном нагреве показана на структуре кремнистого полимера (рис. 1.2). Кристаллы имеют радиальную симметрию, остальная часть - аморфная.

Кристаллические тела характеризуются упорядоченным расположением в пространстве элементарных частиц, из которых они составлены (ионов, атомов, молекул).

Свойства кристаллов зависят от электронного строения атомов и характера взаимодействия их в кристалле; от пространственного расположения элементарных частиц; химического состава, размера и формы кристаллов. Все эти детали строения кристаллов описывает понятие «структура».

В зависимости от размеров структурных составляющих и применяемых методов их выявления используют следующие понятия: тонкая структура, микро- и макроструктура.

Тонкая структура описывает расположение элементарных частиц в кристалле и электронов в атоме. Изучается дифракционными методами (рентгенография, электронография, нейтронография). Анализируя дифракционную картину, получаемую при взаимодействии атомов кристалла с короткими волнами (k=W~10+ Ю-12 м) рентгеновских лучей (или волн электронов, нейтронов), можно получить обширную информацию о строении кристаллов.

Большинство материалов состоит из мелких кристалликов (зерен). Наблюдать такие мелкие структурные составляющие - микроструктуру возможно с помощью оптического (размером до 10~7 м) или электронного (размером до 2-10-10 м) микроскопа.

Микроскопические методы дают возможность определить размеры и форму кристаллов, наличие различных по своей природе кристаллов, их распределение и относительные объемные количества, форму инородных включений и микропустот, ориентирование кристаллов, наличие специальных кристаллографических признаков (двойникование, линии скольжения и др.). Это далеко не полное перечисление характеризует обширность тех сведений, которые можно получить при помощи микроскопа.

Изучая строение кристаллов невооруженным глазом или при небольших увеличениях с помощью лупы-микроструктуру, можно выявить характер излома, усадочные раковины, поры, выявить размеры и форму крупных кристаллов. Используя специально приготовленные образцы (шлифованные и травленые), обнаруживают трещины, химическую неоднородность, волокнистость.