Технология конструкционных материалов и материаловедение: учебное пособие [М. Т. Коротких] (pdf) читать онлайн

Министерство образования Российской Федерации
_____________
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
___________________________________________________

Коротких М. Т.

Технология конструкционных материалов и
материаловедение: учебное пособие

Санкт-Петербург
2004

Аннотация
Пособие по курсу «Технология конструкционных материалов и
материаловедение» предназначено для студентов заочной и дистанционной
формы обучения экономических специальностей. Может быть использовано
при изучении курса Технология важнейших отраслей промышленности.
Пособие в краткой, конспективной форме освещает основные разделы
курса и сопровождается вопросами для самопроверки и образцами карт
тестового контроля.
Ключевые слова: технология конструкционных материалов, технология
важнейших отраслей промышленности, материаловедение, методы
обработки материалов, методы формообразования, обработка давлением,
литье, сварка, обработка резанием, абразивная обработка, электрофизическая обработка.

Содержание
1. Основные характеристики объектов производства
1.1 Свойства материала
1.2 Форма поверхностей деталей
1.3 Размеры поверхностей
1.4 Точность размеров и форм ы поверхностей деталей
1.5 Качество поверхности
2. Машиностроительные материалы
2.1 Сплавы на основе железа
2.1.1 Сталь
2.1.2 Чугун
2.2. Цветные металлы и сплавы
2.2.1 Медь и медные сплавы
2.2.2 Алюминий и сплавы на его основе
2.2.3 Магний и сплавы на его основе
2.2.4 Титан и сплавы на его основе

2.2.5 Тугоплавкие металлы и их сплавы
2.2.6 Композиционные материалы с металлической матрицей
2.3 Конструкционные порошковые материалы
2.3.1 Инструментальные порошковые материалы
2.4 Общие сведения о неметаллических материалах
2.4.1 Пластические массы
2.4.2 Резиновые материалы
3. Получение металлов
3.1 Добыча руды
3.2 Обогащение руды
3.3 Восстановление металла
3.3.1 Термохимическое восстановление металла
3.3.2 Восстановление металла электролизом
3.3.3 Физическое отделение металла
3.4 Рафинирование
4. Основы литейного производства
4.1 Литье в песчано-глинистые формы
4.2 Специальные виды литья
4.2.1 Литье в кокиль
4.2.2 Центробежное литьё
4.2.3 Литье в оболочковые формы
4.2.4 Литьё по выплавляемым моделям
4.2.5 Литье под давлением
5. Методы обработки металлов давлением
5.1 Прокатка
5.2 Прессование
5.3 Волочение
5.4 Ковка

5.5 Горячая объемная штамповка
5.6 Листовая штамповка
6. Сварка
6.1 Сварка плавлением
6.2 Термомеханическая сварка
7. Обработка металлов резанием
7.1 Физические основы резания металлов
7.2 Оборудование для обработки резанием
7.3 Основные процессы обработки материалов резанием
7.3.1 Токарная обработка
7.3.2 Фрезерная обработка
7.3.3 Обработка отверстий резанием
7.3.4 Способы обработки резанием
8. Абразивная обработка
9. Электрофизические и электрохимические
методы обработки материалов
9.1 Электроэрозионная обработка
9.2 Химическая и электрохимическая обработка материалов
9.3 Ультразвуковая обработка материалов
9.4 Лучевые методы размерной обработки
Литература

Технология конструкционных материалов и материаловедение
Пособие для экономических специальностей заочной и дистанционной
формы обучения.
Автор: проф. Коротких М.Т.
1. Основные характеристики объектов производства
Основа современной
цивилизации состоит в целенаправленном
воздействии человека на природу с целью преобразования природных
продуктов в изделия, удовлетворяющие те или иные потребности человека.
Причем, эти изделия в настоящее время настолько отличаются от природных
продуктов, что иногда даже трудно представить те исходные природные
материалы, из которых они получены (например, компьютер).
Если ранее человек непосредственно мог воздействовать на природные
продукты с помощью своих органов и своей энергии, то современное
производство основано на применении различного рода машин, агрегатов,
которые, преобразуя различные виды энергии, могут осуществлять воздействие
на природные продукты значительно более эффективно.
Машина - механическое устройство, выполняющее движения для
преобразования энергии, материалов или
информации.
Основное
назначение машин - частичная или полная замена производственных функций
человека с целью облегчения труда и повышения его производительности.
Машины образуют основу созданной человеком ноосферы,
являются
продуктом человеческого мышления и могут рассматриваться как отражение
человеческой мысли, материальное воплощение человеческой психологии.
Достижения всех отраслей
производства базируется на достижениях в
развитии соответствующих машин.
Поэтому наша Цивилизация иногда
характеризуется как машинная
Цивилизация, а машиностроение
является важнейшей отраслью
промышленности.
Машины, применяемые человеком для преобразования природы делятся на...
Технологические: металлорежущие станки, прессы, оборудование пищевой
промышленности (диспергаторы, смесители и т.д.), сельскохозяйственные
машины и т.д.
Транспортные: поезда, автомобили, суда, самолеты, конвейеры,
промышленные роботы и т.д.
Энергетические: генераторы, турбины, двигатели внутреннего сгорани,
электродвигатели, и т.д.
Кроме машин, человечество использует для воздействия на природу
устройства, в которых преобразование вещества, энергии происходит не за
счет механического движения, а за счет других физических, химических или

биологических процессов. Такие устройства называются реакторами,
агрегатами, аппаратами, и т.д.
Например: атомный реактор, химические аппараты для синтеза различных
веществ, биологические реакторы для получения дрожжевых бактерий...
Если устройство предназначено для получения и
преобразования
информации, то оно относится к категории ПРИБОРОВ.
(ЭВМ - конечно не машина, а прибор. Такая терминология сохранилась с тех
времен, когда вычислительные устройства были
основаны чисто на
механическом принципе).
Каждая машина, агрегат, прибор обладают существенными для человека
свойствами, среди которых имеются как полезные, так
и вредные свойства.
История развития этих средств отражает попытки максимизировать полезные
свойства этих искусственных объектов при минимизации их отрицательного
влияния на человека непосредственно или окружающую среду.
Так, скорость транспорта постоянно увеличивается, производительность
технологического оборудования растет, мощность и КПД энергетических
машин повышается. Набор свойств этих
технических средств настолько
широк, что сравнение их возможно только при сопоставлении близких,
предназначенных для выполнения одной цели устройств. Невозможно,
например, сравнение легкового и грузового автомобиля, хотя сравнение
легковых автомобилей может производиться по одним и тем же техническим
критериям. (Максимальная скорость, вместимость, потребление топлива на
100 км пути и т.д.).
Уровень развития цивилизации в настоящее время определяется
техническим прогрессом, именно достигнутыми характеристиками (или
техническими критериями) машин, приборов и т.д.
От достигнутых характеристик этих устройств зависит эффективность любой
отрасли общественного производства, что непосредственно отражается на
качестве
жизни
общества.
Поэтому
важнейшими
отраслями
промышленности следует считать именно производство средств производства.
Свойства машин возникают при сборке из отдельных элементов
- деталей.
Деталь - изделие, изготовленное без применения сборочных
операций.
Если свойства машин чрезвычайно разнообразны, то свойства деталей можно
разделить на 5 основных, несводимых друг к другу категорий, которые
универсальны и могут быть оценены с единых позиций.
К таким свойствам относятся:
Свойства материалов, форма, размеры, точность, свойства поверхности.

1.1 СВОЙСТВА МАТЕРИАЛА:
Механические
Прочность,
твердость, ударная
вязкость,
пластичность,
упругость и т.д.

Таблица 1
Физические
Химические
Теплопроводность, Химическая
электропроводност активность,
коррозионная
ь, плотность,
стойкость,
температура
каталитические
плавления,
свойства,
магнитные
окалиностойкость и
свойства и т.д.
т.д.

Биологические
Алергенная
активность,
токсичность и т.д.

Свойства материала деталей могут во многом
определять свойства (технические критерии) производимых изделий.
Так, прочность стали, наряду с другими факторами, определяет
грузоподьемность моста, защитные свойства брони, мощность передаваемую ротором турбины...

Рис.1.1
Прочность материалов обычно оценивается по предельному напряжению (удельной нагрузке) в поперечном сечении
объекта при его
разрушении. Такая величина называется пределом прочности на растяжение и у современных конструкционных материалов составляет:
конструкционные стали - 600...3000 н/мм2,
алюминиевые сплавы - 200...900 н/мм2,
титановые сплавы
- 600...1600 н/мм2,

композиционные материалы - 300...20000н/мм2.
Испытание на растяжение позволяет также оценить пластичность материала,
которая измеряется относительным пластическим удлинением образца в
процессе растяжения в момент разрушения.
Твердость – способность материала сопротивляться внедрению в него
твердого тела оценивается при стандартных условиях испытания внедрением
закаленного шарика (твердость по Бринелю), алмазной пирамидки или конуса
(твердость по Виккерсу, Роквеллу). Твердость во многом определяет
износостойкость деталей машин, воспринимаемые ими без разрушения
контактные нагрузки, таким образом существенно влияя на технические
критерии самой машины.
1.2 ФОРМА ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ

Рис.1.2
Форма поверхностей деталей может во многом определять технические
характеристики изделия.
Так, поиск наиболее эффективных форм крыла
самолета продолжается до сих пор и определяет такие характеристики, как
грузоподъемность, расход топлива, планирующую способность. Форма
лопаток турбины определяет КПД преобразования энергии; форма снаряда,
ракеты определяет сопротивление воздуха, а следовательно дальность полета и
т.д.
Форма профиля строительных элементов (балок, колонн...) определяет
эффективность использования
материала,
т.е.
при
заданной
грузоподъемности , при правильном выборе формы строительных элементов,
мост может быть построен более легкий, а следовательно и более дешевый.

Профиль лопастей гидротурбины достаточно сложен, но именно он определяет
КПД турбины, профиль обтекателя головной части ракеты минимизирует
сопротивление воздуха при ее движении, а, следовательно, влияет на
достижимую скорость, расход топлива и т.д.
Форма кузова автомобиля не только определяет эстетическое восприятие, но
и существенно влияет на сопротивление воздуха его движению, т.е. на расход
топлива, скорость, устойчивость его движения…
1.3 РАЗМЕРЫ ДЕТАЛЕЙ
Размеры напрямую определяют многие технические характеристики
изделия.
Например,
размеры
кузова
автомобиля
определяют
производительность перевозок, размеры цилиндров автомобиля (емкость

двигателя) определяют его мощность; размеры балки определяют несущую
способность строительной конструкции (моста, фермы подъемного крана) и
т.д.
Бурильная морская платформа, стартовый ракетный комплекс – это примеры
изделий, детали которых могут достигать в размерах десятков и сотен метров.
Элементы интегральных схем радиоэлектроники и вычислительной техники
Достигают размера 0,13мкм (величины, которую невозможно увидеть в
оптический микроскоп, так как она меньше длины волны видимого света).
В этом случае уменьшение размеров отдельных элементов позволяет
повысить плотность интеграции, сократить общее энергопотребление. (Ведь
современный процессор для ЭВМ содержит несколько десятков миллионов
транзисторов, каждый из которых имеет размеры менее 0,5мкм.)
1.4 ТОЧНОСТЬ РАЗМЕРОВ И ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ
Номинальным размером называется размер, определяемый исходя из
функционального назначения изделия. Номинальные размеры, с целью
унификации оснастки и измерительных средств, должны выбираться из ряда
нормальных линейных размеров, в соответствии со стандартом.
Однако изготовить и даже измерить размер можно только с определенной
степенью точности, которая также определяется из функционального
назначения детали.
Разность между максимальным и минимальным допустимыми размерами
детали называется полем допуска.
Расположение полей допусков относительно номинального размера должно
выбираться в соответствии со стандартом и обозначается соответствующей
латинской буквой.

Рис.1.3

Величина же поля допуска зависит от номинального размера и квалитета
точности, которые в соответствии со стандартом обозначаются цифрой:
01

0

1

2

3

Особо точные изделия
концевые меры длины,
детали прецизионных
приборов, подложки
интегральных микросхем, оптические
детали....

4

5

6

7

8

9

10

¦Сопрягаемые поверхности де¦талей, подшипники,направля¦ющие поверхности...
¦Детали стан- ¦Менее ответс¦ков,авиастро-¦твенные маши¦ение,двигате-¦ны...
¦ли...

Например: 20Н9 (+0,052)

, 35f7( -0,025
-0,050)

11

12

13

14

15

¦Несопрягаемые
¦поверхности
¦деталей машин
¦
¦
¦
¦

16

оптического прибора

Рис.1.4

Точность изготовления во многом определяет качество (технические
характеристики) изделия. Так, точность формы считывающей головки
видеомагнитофона определяет качество изображения, точность деталей
подшипника качения определяет его долговечность, КПД машины, ее ресурс,
шум.
Точность выполнения размеров сопрягаемых деталей во многом определяет
технические характеристики устройств, однако ее повышение связано с
большими затратами, так как требует применения более высокоточного, а
следовательно, дорогого оборудования, применения многостадийных
технологий, увеличивающих время обработки, а следовательно, и затраты
(рис.1.5).
Стоимость обработки поверхности

Под точностью понимается отношение допуска на
изготовление размера к его номинальной величине.

Точность изготовления

Рис.1.5

Уменьшение допусков на изготовление отдельных деталей машины во многих
случаях существенно повышает их качество, но также и их себестоимость
изготовления, поэтому должно быть оправдано достижимым эффектом в
эксплуатации.
1.5 КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ
Конечно, поверхность может иметь множество физических характеристик,
таких как цвет, химическая активность, шероховатость и т.д. Наибольшее же
значение для функционирования деталей машин имеет шероховатость
поверхности.
В зависимости от метода измерения шероховатость определяется средней
высотой микронеровностей Ra, либо высотой неровностей по 10 точкам Rz.
(рис.1.6).

Рис.1.6
Влияние шероховатости на свойства изделия (рис.1.7) может быть весьма
существенным и даже определяющим (зеркало).

Рис.1.7

Параметры шероховатости поверхности измеряются и задаются на
чертежах в микрометрах (мкм) и номинальные значения их для разных классов
шероховатости стандартизованы.
Таблица 2
Rz
320;160;80;40;20;10; 6,3; 3,2; 1,6; 0,8; 0,4; 0,2; 0,1; 0,05
Ra
80; 40;20;10; 5;2,5;1,25; 0,63;0,32; 0,16;0,08;0,04;0,02;0,01
Область
Несопрягаемые
Сопрягаемые
Оптические детали,
применения поверхности
поверхности деталей подложки микросхем,
деталей машин
машин, пары
поверхности деталей
трения…
накопителей
информации…
Метод
Литье,
Резание Резание, шлифование Полирование
достижения штампо
вка,
резание
Как свойства деталей переходят в свойства машин изучают науки
проектирования, которые подразделяются
по отраслевому принципу
(проектирование автомобилей, проектирование турбин и т.д.)
Эти науки должны ответить на вопрос - какими
свойствами должны
обладать элементы, чтобы получить определенные свойства машины.
(специальность - конструктор).
Как возникают свойства деталей, веществ, какими действиями или

какой совокупностью действий можно получить заданные свойства
- это предмет науки "Технология" (специальность - технолог).

Какие категории затрат обеспечивают производство того или иного изделия,
как можно минимизировать эти затраты - это предмет науки "Экономика"
(специальность - экономист).
Естественно, все эти три науки неразрывно связаны между собой, категории
и понятия их настолько переплетаются, что иногда трудно провести грань, где
кончается предмет одной науки и начинается предмет другой.
Надо отметить, что наибольшие прорывы в развитии
производства
последнего столетия сделали люди, являющиеся комплексными
специалистами ( Генри Форд, Тейлор и т.д.).
В настоящее время многие специалисты рассматривают вопрос об
интеграции этих наук в комплексную науку, рассматривающую все аспекты
появления изделия по цепочке от творческого замысла, проектирования,
технологии, организации производства и оптимального управления потоками
информации, веществ и энергий.
Технология, как наука, рассматривает способы воздействия на
сырье, материалы и полуфабрикаты соответствующими орудиями
производства.
Производственный процесс
- совокупность действий по превращению
сырья, материалов в полезную для человека продукцию.
Технологический процесс
- часть производственного процесса
непосредственно связанная с изменением свойств сырья и материалов и их
определением (контроль).
Технологическая операция
- это часть технологического процесса,
производимая непрерывно на одном рабочем месте.
Операция обычно осуществляется при воздействии на обрабатываемое
изделие тем или иным методом обработки,
использующим
известные
физические, химические, биологические явления.
Методы обработки - это структурные элементы технологического процесса,
объединение которых в определенную последовательность позволяет достичь
требуемых параметров изделия при минимизации затрат на производство.
Поэтому каждый метод нужно характеризовать его технологическими
возможностями
- получаемыми свойствами материалов, возможностями
формообразования, достижимыми размерами, точностью и шероховатостью
поверхностей изделий.
Для минимизации затрат при реализации метода необходимо знание об
управляющих параметрах процесса, возможностях его регулирования, о
материальных, энергетических и информационных
потоках при его
реализации.
Технология важнейших отраслей промышленности рассматривает
основные методы обработки, используемые в производстве машин, аппаратов,
приборов, т.е. той техники с помощью которой человек преобразует природу.

Вопросы для самопроверки:
1.Какие параметры деталей определяют долговечность машины?
2.Какие машины относятся к категории энергетических? -транспортных? технологических?
3.Чем отличается машина от прибора?
4.Какие свойства материалов определяют прочность деталей машин?
5.Какие свойства транспортных машин зависят от формы корпуса?
6.Какие свойства деталей определяются шероховатостью их поверхностей?
7.Какие свойства машин могут зависеть от точности изготовления размеров
деталей?
9.Какие свойства машин могут зависеть от точности формы поверхностей
деталей?
10.Какие категории свойств деталей определяют технические параметры
машин, приборов и агрегатов?
Образец карты тестового контроля:
1. Укажите, в какой группе перечислены только технологические машины:
а). Гидротурбина, автомобиль, мясорубка, токарный станок;
б). Электродвигатель, фрезерный станок, конвейер, подъемный кран;
в). Гидравлический пресс, прокатный стан, шлифовальный станок;
2. Для какого изделия наиболее существенна высокая точность изготовления
деталей и малая шероховатость поверхности:
а). автомобиль
б). телескоп
в). экскаватор
3. Для каких изделий наиболее важна оптимизация формы корпуса, исходя из
взаимодействия с окружающей средой:
а). Подводная лодка, ракета, автомобиль
б). Самолет, токарный станок, кофемолка
в). Корабль, экскаватор, эскалатор
4. Детали какого устройства выполняются с большей точностью:
а). Телескоп
б). Токарный станок
в). Двигатель автомобиля
5. Какие величины шероховатости поверхности могут быть получены
обработкой резанием:
а). Ra = 1,25…20мкм
б). Ra = 0.16…80мкм

2. Машиностроительные материалы
Технический уровень машин, аппаратов, приборов во многом определяется
свойствами материалов, из которых изготовлены их отдельные элементы –
детали. Спектр существующих материалов чрезвычайно широк и выбор
оптимального материала для тех или иных условий применения может быть
достаточно сложной задачей.
Например, мост можно построить из низкоуглеродистой стали
обыкновенного качества, из высоколегированной сверхпрочной стали, из
нержавеющей стали, из алюминиевого сплава и т.д. В различных вариантах,
он будет иметь разный срок службы, стоимость изготовления, стоимость
обслуживания. В настоящее время, применяют стали обыкновенного качества,
что определяется именно экономическими преимуществами.
В то же время существуют технические объекты, создание которых было бы
невозможно без разработки специальных материалов, альтернативы которым
может и не существовать и, приходится мириться с их, иногда, даже
чрезвычайно высокой стоимостью. Это материалы космической техники
(например, керамика ракетных сопел и газовых рулей), атомной
промышленности (например, циркониевые оболочки тепловыделяющих
элементов атомных реакторов, гадолиниевые экраны нейтронной защиты и
т.д.).
И даже в этих областях техники ведется поиск новых альтернативных
материалов, повышающих как технические характеристики объекта, так и его
экономическую эффективность.
2.1 Сплавы на основе железа
2.1.1 Сталь - сплав железа с углеродом при содержании углерода до
2,14%. Кроме того, в состав стали обычно входят марганец, кремний, сера и
фосфор, которые попадают в сталь из руды или кокса; некоторые элементы
могут быть введены для улучшения физико-химических свойств, специально
(легирующие элементы).
Классификация сталей
Таблица 1
По химическому составу
По
По содержанию
содержанию
легирующих
углерода
элементов
Малоуглероди Низколегированные,
стые С 0,6%

Высоколегированные,
легирующих
элементов > 10%

По назначению
Конструкционные –
для строительных
элементов и деталей
машин и приборов,
инструментальные –
для изготовления
режущего
инструмента,
штампов и т.д., с
особыми
физическими
свойствами

По качеству
(по содержанию
серы (S) и
фосфора (P)
Обыкновенного
качества
S