Металловедение


СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Серия основана в 2001 году




В.В. Овчинников

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ



            УЧЕБНИК






Рекомендовано Федеральным государственным учреждением «Федеральный институт развития образования» в качестве учебника для использования в учебном процессе образовательных учреждений, реализующих программы среднего профессионального образования







                znanium.com




электронно-библиотечная система

Москва
ИД «ФОРУМ» - ИНФРА-М
2024

УДК 669(075.32)
ББК 34.2я723
     О35

   ФЗ    Издание не подлежит маркировке   
№ 436-ФЗ в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

      Рецензенты:
         Алексеев В.В. — доктор технических наук, заместитель главного металлурга ОАО «Российская самолетостроительная корпорация “МИГ”»;
         Грушко О.Е. — доктор технических наук, главный научный сотрудник Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов


      Овчинников В.В.
О35 Металловедение : учебник / В.В. Овчинников. — Москва : ИД «ФОРУМ» : ИНФРА-М, 2024. — 320 с. — (Среднее профессиональное образование).

          ISBN 978-5-8199-0867-9 (ИД «ФОРУМ»)
          ISBN 978-5-16-014899-1 (ИНФРА-М, print)
          ISBN 978-5-16-101930-6 (ИНФРА-М, online)
          Изложены вопросы строения и кристаллизации металлов и их сплавов. Рассмотрены элементы общей теории металлических сплавов. Показано влияние технологических процессов и условий эксплуатации на структуру и свойства металлов и сплавов. Даны основы термической обработки. Приведены основные сведения о специальных сталях и сплавах. Подробно рассмотрены особенности процессов деформации металлов с позиции дислокационной теории прочности.
          Для студентов учреждений среднего профессионального образования.




ISBN 978-5-8199-0867-9 (ИД «ФОРУМ»)
ISBN 978-5-16-014899-1 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-101930-6 (ИНФРА-М, online)


     УДК 669(075.32) ББК 34.2я723

© Овчинников В.В., 2015
© ИД «ФОРУМ», 2015


ООО «Издательский дом ФОРУМ»
127247, Москва, ул. Софьи Ковалевской, д. 1, стр. 51
E-mail: forum2-book@yandex.ru
Тел.: (495) 280-15-96
ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1 Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29 E-mail: books@infra-m.ru http://www.infra-m.ru
Подписано в печать 03.07.2023.
               Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times.
Печать цифровая. Усл. печ. л. 20,0.
ППТ20. Заказ № 00000
ТК 155400-2082857-230614

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М» 127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
               Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

                ОГЁАВЁЕ^Е





О!еди“л%"ие ....................................... 7
Сл="= 1. qTPrjTrpmne qTPnemhe металлов.............10
    1.1. Кристаллические 2"е!дые 2ел= .............10
    1.2. Кл=““и—ик=ция мет=лл%" .................. 11
    1.3. Тисы ме>=т%мных cbjocl .................. 14
    1.4. qт!%ение мет=лл%" ....................... 15
    1.5. О%лим%!—изм.............................. 19
    1.6. Анизотросия...............................21
    1.7. dе—екты к!ист=ллическ%г% строения.........22
    1.8. 1=гнитные сре"р=?ения.....................28
    1.9. Кристаллиз=ция ...........................30
    1.10. qт!%ение слитк=..........................33
    1.11. 'м%р—из=ция ссл="%"......................37
Сл="= 2. ieT'kkh)eqjhe qokABbi.....................38
    2.1. qт!%ение мет=ллических ссл="%"............38
    2.2. dи=г!=ммы состояния ссл="%"...............43
    2.3. dи=г!=мм= состояния, строение и C"%Lст"= ссл="%"........................................48
    2.4. fелезозгле!одистые ссл="ы ................49
    2.5. Ьлияние химических элемента" н= с"оLст"= >елезозглеродистых ссл="о" ....................54
    2.6. dи=г!=ммы состояния >елезозглеродистых ссл="о"........................................57
сл="= 3. qBniqTBA qokABnB..........................63
    3.1. Констрзкционн=я срочность.................63
    3.2. 1ех=нические сиойсг";! и методы иссыт=ния мет=лло" ......................................64
    3.3. т=клес и рекрист=ллиз=ция ................69

Оглавление

    3.4. Влияние высоких темсе!атур на механические свойства .......................................71
    3.5. Ползучесть и длительная срочность.........73
    3.6. Релаксация насряжений.....................75
    3.7. Термическая усталость.....................75
3.8. Технологические и эксслуатационные свойства металлов и сславов....................76
    3.9. Методы выявления дефектов без разрушения деталей.........................................83
Глава 4. ЧУГУНЫ ...................................88
    4.1. Классификация чугунов.....................88
    4.2. Зависимость между химическим составом, структурой и свойствами чугунов................89
    4.3. Белый чугун...............................98
    4.4. Литейный серый чугун......................99
    4.5. Ковкий чугун.............................102
    4.6. Высокосрочный чугун......................105
    4.7. Специальные чугуны.......................108
Глава 5. СТАЛИ ...................................112
    5.1. Превращения в сталях.....................112
    5.2. Изменение структуры в зависимости от содержания углерода........................117
    5.3. Влияние углерода на механические свойства углеродистых сталей в равновесном состоянии . . . .118
    5.4. Влияние углерода и состоянных сримесей на свойства сталей............................119
    5.5. Легирующие элементы в сталях.............120
       5.5.1. Влияние легирующих элементов на свойства стали..........................120
       5.5.2. Влияние легирующих элементов на солиморфизм железа........................120
       5.5.3. Влияние легирующих элементов на феррит. . .121
       5.5.4. Карбидная фаза в легированных сталях..122

Оглавление

5

       5.5.5. Влияние леги!ующих элементов на !ассад аустенита...................................123
       5.5.6. Влияние легирующих элементов на мартенситное сревращение..................124
       5.5.7. Влияние легирующих элементов на рост зерна аустенита......................124
       5.5.8. Влияние легирующих элементов на сревращения сри отсуске..................124
    5.6. Классификация сталей......................125
    5.7. Конструкционные стали ....................130
       5.7.1. Углеродистые стали...................130
       5.7.2. Низколегированные конструкционные стали.......................................134
       5.7.3. Высокосрочные легированные стали.....140
    5.8. Стали, устойчивые к воздействию темсературы и внешней среды................................150
       5.8.1. Виды коррозии металлов...............150
       5.8.2. Коррозионно-стойкие и жаростойкие стали . . . 156
    5.9. Инструментальные стали и сславы ..........172
Глава 6. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА.....................191
    6.1. Общие соложения термической обработки.....191
    6.2. График термической обработки..............191
    6.3. Основные виды термической обработки стали и диаграмма состояния....................192
    6.4. Превращения в стали сри нагреве...........193
    6.5. Рассад аустенита сри охлаждении...........197
    6.6. Мартенситное сревращение..................203
    6.7. Превращение сри нагреве закаленной стали..206
    6.8. Практика термической обработки стали......208
       6.8.1. Предварительная термическая обработка . . . .208
       6.8.2. Отжиг и нормализация для солучения мелкозернистой структуры.....................208
       6.8.3. Улучшение обрабатываемости резанием...209
       6.8.4. Улучшение обрабатываемости давлением . . . .211

Пгл="ление

       6.8.5. Г“2!=нение ли*"=ции................211
       6.8.6. Птжиг для “нятия внутренних напряжений . . .211
       6.8.7. д=*ал*= “тали......................211
       6.8.8. Птсу“* “тали ......................222
       6.8.9. Термиче“кая оКраКотка “варных “%единений................................224
Сл="= 7. uhihjn-Tepih)eqj'“ пар'апт j' qTAkei................................227
    7.1. П“новные те%ретиче“кие с%л%>ения........227
    7.2. 0емент=ция “тали........................236
    7.3. 'з%тир%вание............................241
    7.4. Цианирование............................245
    7.5. Алитирование ...........................246
    7.6. иромирование............................248
    7.7. qилицирование...........................249
    7.8. аорирование.............................250
    7.9. qуль—идирование.........................251
    7.10. qуль—оцианирование.......................252
Сл="= 8. оьеттые leTAkkbi h qokAbbi................253
    8.1. ПК?ие “ведения о цветных металлах и “славах . . . .253
    8.2. 1едь и ее “славы........................255
    8.3. Алюминий и его “славы...................267
    8.4. П“новные режимы термиче“кой оКраКотки (“тарения) легких “славов.....................273
    8.5. 1агний и его “славы.....................274
    8.6. Титан и его “славы......................284
    8.7. Анти—рикционные “славы. ааККиты, срисои.293
    8.8. Тугославкие металлы и “плавы на их о“нове.297
Сл="= 9. тпьые ieTAkkh)eqjhe iATePhAk{...........304
    9.1. jомсозиционные материалы................304
    9.2. Оорошковые “тали и “славы...............311
    9.3. qславы на о“нове интерметаллидов........316
    9.4. Амор—ные и микрокри“талличе“кие “славы .317
qcH“%* ли2е!=23!ы................................320

                ПРЕДИСЛОВИЕ





   Все вещества состоят из химических элементов (водо!од, кисло!од, сера, фосфор, железо, медь и др.). Свойства химических элементов зависят от заряда атомных ядер, из которых они состоят. В настоящее время известно 114 химических элементов. Соединяясь друг с другом различными связями (ионной, электрической, ковалентной, металлической и межмолекулярной), химические элементы образуют молекулы простых или сложных веществ, в которые могут входить от двух до сотен тысяч атомов. Это предопределило создание веществ с различными свойствами и характеристиками, получение искусственным путем материалов, которые могут быть использованы в науке и технике.
   Материалы — это вещества, полученные из сырья и служащие для производства полуфабрикатов, производственных и строительных деталей и готовых изделий (например, металлы и их сплавы, кирпич, древесина, кожа, полимеры, бумага, натуральные и химические волокна и др.). Материалы являются естественной основой продукции. Доля стоимости материалов составляет 40...70 % всех затрат на изготовление готовых изделий, а для автоматизированного производства достигает 80 %.
   Материаловедением называют прикладную науку о строении и свойствах технических материалов, основная задача которой — установление связи между их составом, структурой и свойствами.
   Металлы относятся к числу наиболее распространенных материалов, которые человек использует для обеспечения своих жизненных потребностей. В наши дни трудно найти такую область производства, научно-технической деятельности человека, его быта, где металлы не играли бы существенной роли.
   Чистые металлы характеризуются низкими прочностными свойствами, поэтому в машиностроении применяются главным образом их сплавы. Сплавы являются основными машиностроительными материалами. На их долю приходится примерно 95 % от всех материалов, применяемых в технике. И видимо, эта доля сохранится еще долгое время.
   Металловедение — наука о связях между составом, строением и свойствами металлов, закономерностях их изменений вслед

Предисловие

ствие —изико-механических и д!угих видов воздействий, а также сутях получения (производства) металлов и сплавов, улучшения их свойств в целях э——ективности использования.
   Современное металловедение как наука начало складываться в XIX в. В развитии металловедения велика роль русских ученых-металлургов П.П. Аносова, Д.К. Чернова, А.А. Байкова и Н.С. Курнакова.
   Ученый Д.К. Чернов открыл критические температуры —азо-вых превращений железоуглеродистых сплавов, разработал теорию термической обработки сталей, исследовал и дал описание стального слитка. Кроме того, Чернов явился основоположником теории кристаллизации стали при переходе из жидкого состояния в твердое. Кристалл Чернова и сегодня является предметом исследования ученых-металлургов.
   Российский ученый-металлург А.А. Байков разработал теорию металлургических процессов и методы исследования свойств и химического состава металлов и сплавов. Его работы «Высококачественная сталь и ее характеристика», «Восстановление и окисление металлов» и многие другие внесли основополагающий вклад в развитие черной металлургии нашей страны. Кроме того, Байков использовал специальный метод изучения строения металлов при высокой температуре, который и сегодня применяется при металлургических исследованиях.
   Советский ученый Н.С. Курнаков является основоположником —изико-химического анализа металлов и сплавов. Он установил зависимость между кристаллическим строением, структурой и свойствами сплавов, был не только теоретиком, но и организатором металлургических (алюминиевых, магниевых) производств в России. Физико-химическая теория исследования металлов и сплавов, разработанная Курнаковым, в настоящее время широко применяется в металлогра—ических лаборато-ри х.
   На протяжении всей истории своего развития металловедение как техническая дисциплина тесным образом связано с достижениями —ундаментальных наук (—изики, химии, механики). Поэтому изучаемые вопросы автором излагаются в соответствии с основами термодинамики, кристаллогра—ии, атомно-кристаллического строения твердых тел и их де—ектной структуры, —изическими основами де—ормации и разрушения материалов.

Предисловие                       9

П!и изложении вос!осов строения и свойств конкретных классов конструкционных материалов, включая и сринцисиально новые, разрабатываемые в соследние годы — сорошковые и комсозиционные материалы, аморфные сславы и сславы на основе тугославких металлов, средворяется сриведением основ легирования и термической обработки сталей.
    Автор старался состроить соследовательность изложения материала таким образом, чтобы уменьшить трудности сри его усвоении, и надеется, что хотя бы частично эта задача решена.

Глава 1




                СТРУКТУРНОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ







            1.1. Кристаллические твердые тела


   В п!И!оде существуют две !азновидности тве!дых тел, различающиеся своими свойствами, — кристаллические и аморфные.
   Кристаллические тела остаются твердыми, сохраняя 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 при определенной температуре (температура плавления).
   Аморфные тела характеризуются тем, что при нагреве они в большом интервале температур вначале размягчаются, а затем переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении. Аморфные тела в отличие от жидкостей имеют пониженную подвижность частиц. Аморфное состояние можно зафиксировать в металлических сплавах ускоренным охлаждением из жидкого состояния. Однако при повторном нагреве аморфное тело частично или полностью переходит в кристаллическое состояние.
   Правильное, закономерное расположение частиц в пространстве характеризует кристаллическое состояние. В физике кристаллическое состояние и твердое состояние — синонимы.
   Эффективность использования материалов зависит от понимания факторов, влияющих на их свойства. Электронное строение атомов, характер взаимодействия их в кристалле, пространственное расположение элементарных частиц, а также химический состав, размеры и форма кристаллов определяют строение кристаллического тела, описываемое структурой.
   Таким образом, механические и физические свойства кристаллических материалов зависят от состава структуры.

1.2. Классификация металлов

11

   В зависимости от !азме!ов структурных составляющих и срименяемых методов их выявления различают 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). Эти методы позволяют установить форму и размеры атомной ячейки кристалла, определить, из скольких атомов состоит ячейка и где они расположены, а также различные виды нарушения в расположении атомов.
   Кристаллические тела состоят из мелких кристалликов (зерен). Размеры, форма и взаимное расположение зерен, их объемное количество, форма включений и микропустот, наличие специальных кристаллографических признаков (двойникование, линии скольжения) — все это определяет микроструктуру материала, изучаемую металлографическими методами. Так как все металлы непрозрачны, то металлографические методы предусматривают использование микроскопов различного разрешения для рассмотрения микрошлифов исследуемых материалов.
   Возможные неоднородности строения, наблюдаемые по объему всей детали, которые можно видеть невооруженным глазом или при небольших увеличениях с помощью лупы, составляют макроструктуру. Изучая макроструктуру, можно обнаружить всевозможные виды нарушения сплошности (трещины, усадочные раковины, газовую пористость), химическую неоднородность (ликвацию), неоднородность, вызванную обработкой давлением.
   В 1860 г. русским ученым Е.С. Федоровым была выдвинута гипотеза о том, что в кристаллах расположение атомов закономерное, но только после открытия рентгеновских лучей (Рентген, 1895 г.) и применения их к изучению строения кристаллов (М. Лауэ, 1912 г.) это было установлено экспериментально.


            1.2. Классификация металлов


   Определение металлов можно дать с позиций химии, физики и техники.
   В химии металлы — это химические элементы, находящиеся в левой части периодической системы элементов Д.И. Менделеева, которые обладают особым механизмом взаимодействия

Глава 1. Структурное строение металлов

валентных электронов (ионов) с ядром как в самих металлах, так и при вступлении в химические реакции с другими элементами, в том числе с металлами.
   Физика характеризует металлы как твердые тела, обладающие цветом, блеском, способностью к плавкости (расплавлению) и затвердеванию (кристаллизации), тепло- и электропроводностью, магнитными и другими свойствами.
   В технике металлы — это конструкционные материалы, обладающие высокой обрабатываемостью (ковкостью, штампуемос-тью, обрабатываемостью резанием, паяемостью, свариваемостью и др.), прочностью, твердостью, ударной вязкостью и рядом других ценных свойств, благодаря которым они находят широкое применение.
   Из металлов, добываемых из недр земли, получают большую группу конструкционных материалов, применяемых в различных отраслях промышленности.
   В природе одни металлы встречаются в чистом, самородном виде, другие — в виде оксидов (соединений металла с кислородом), нитридов и сульфидов, из которых состоят различные руды этих металлов.
   Самыми распространенными металлами, применяемыми в качестве конструкционных материалов, являются железо, алюминий, медь и сплавы на основе этих металлов.
   К металлам относятся более 80 элементов периодической системы Менделеева. Все они подразделяются на две большие группы: черные металлы и цветные металлы.
   Характерными признаками черных металлов являются темно-серый цвет, блеск, высокие плотность и температура плавления, твердость, прочность, вязкость и полиморфизм (аллотропия). По своим физико-химическим свойствам черные металлы делятся на пять групп:
   • железистые (железо, кобальт, никель, марганец);
   • тугоплавкие (вольфрам, рений, тантал, молибден, ниобий, ванадий, хром, титан и др.);
   • урановые — актиниды (уран, торий, плутоний и др.);
   • редкоземельные — лантаниды (лантан, церий, иттрий, скандий и др.);
   • щелочно-земельные (литий, натрий, калий, кальций и др.).

1.2. Классификация металлов

13

   Из этих пяти трупе черных металлов особенно широкое применение в промышленном производстве находят железистые и тугоплавкие металлы.
   Железистые металлы, кроме марганца, называют еще ферромагнетиками. Ферромагнетики способны намагничиваться и притягивать металлы своей группы.
   К тугоплавким относятся металлы, которые имеют температуру плавления выше температуры плавления железа (1539 °C): титан — 1667 °C, ванадий — 1902 °C, хром — 1903 °C, молибден — 2615 °C, ниобий — 2460 °C, тантал — 2980 °C, вольфрам — 3410 °C. Тугоплавкие металлы в основном применяются как легирующие элементы в производстве жаропрочных, жаростойких, теплостойких и специальных сплавов, в том числе твердых сплавов и высоколегированных сталей.
   Отчетливую границу между металлом и неметаллом провести довольно трудно, особенно для элементов с несколькими модификациями, одна из которых металлическая, а другая неметаллическая (например, белое и серое олово). В то же время следует отметить, что соединения и сплавы металлических элементов — металлов — почти всегда являются металлами. Можно отметить лишь единичные случаи, когда соединение двух металлов не является металлом, например Mg2Sn. Утверждение же, что соединение металла с неметаллом дает неметалл, справедливо не всегда. Так, соединения многих чистых металлов с водородом, углеродом, азотом сохраняют металлический характер, и их можно причислить к металлам.
   Из всего ряда свойств характеристикой, наиболее присущей металлам, является электропроводность: металлы обладают значительно более высокой электропроводностью по сравнению с неметаллами.
   В настоящее время хорошо известно, что свойства элементов, в первую очередь определяются электронным строением атомов. Важнейшей характеристикой электрона в атоме является его энергия. Она зависит от уровня, который занимает электрон в электронной оболочке атома, т. е. от удаления от ядра.
   По заполнению электронами внешних подуровней металлы разделяются на две подгруппы: 1) простые, у которых электроны на d-подуровне отсутствуют (Li, Na, Ca, A1 и др.) либо у которых d-подуровень заполнен полностью (Cu, Zn, Cd, Ag и др.); 2) переходные, у которых заполнение d-подуровня начинается

Глава 1. Структурное строение металлов

п!и частично заполненном .v -подуровне следующей оболочки. К числу переходных относятся важнейшие металлы, используемые для создания конструкционных материалов — Fe, Ni, Co, Mo, Mn, Cr, V, Nb, Zr, Ti.


            1.3. Типы межатомных связей


   Известно четыре основных типа межатомных связей: ионная, ковалентная и межмолекулярная (ван-дер-ваальсова), металлическая.
   Ионная связь проявляется в случае так называемых ионных кристаллов (химических соединений типа NaCl, КВг и т.д.). При этом образование связи происходит путем передачи атомом одного элемента своего валентного электрона атому другого элемента. Переход электрона от одного элемента к другому приводит к образованию положительного и отрицательного ионов, которые притягиваются друг к другу электростатически.
   Образование ионной связи удобно рассмотреть на примере соединения NaCl. Atom Na имеет один «лишний» валентный электрон. В то же время атому С1, имеющему семь валентных электронов, для образования устойчивой оболочки, состоящей из восьми электронов, «не хватает» одного электрона. Атом Na передает свой валентный электрон атому С1, и в результате образуется положительный ион Na+ и отрицательный ион С1#, которые, притягиваясь, создают ионную связь.
   Ковалентная связь чаще всего проявляется при образовании молекул из атомов одного элемента (например, Н2, О2, CI2 и т.д.). Этот тип связи осуществляется путем обобществления валентных электронов двух атомов, переходящих на общую орбиту. Так, в двух атомах водорода имеется по одному валентному электрону. Для обеспечения устойчивой орбитали, состоящей из двух электронов, каждый атом нуждается еще в одном электроне. Поэтому оба атома передают свои электроны на обобществленную орбиталь, которая теперь принадлежит не одному, а обоим атомам, входящим в молекулу. Эта связь является направленной.
   Иежмоленулярная, или ван-дер-ваальсова, связь осуществляется между нейтральными молекулами. Силы притяжения и отталкивания в этом случае также имеют электромагнитную и квантовую природу. Действие ван-дер-ваальсовых сил доста