Астафьева Е.А. Технология конструкционных материалов
Подождите немного. Документ загружается.
ТЕХНОЛОГИЯ
КОНСТРУКЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Банк тестовых заданий в системе UniTest
Учебная программа дисциплины
Учебное пособие
Лабораторный практикум
Методические указания по самостоятельной работе
Красноярск
ИПК СФУ
2008
Электронный
учебно-методический комплекс
УДК 621.7/.9
ББК 30.3
А91
Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
подготовлен в рамках инновационной образовательной программы «Материаловедческое образование при подго-
товке бакалавров, инженеров и магистров по укрупненной группе образовательных направлений и специальностей
”Материаловедение, металлургия и машиностроение’’ в Сибирском федеральном университете», реализованной
в ФГОУ ВПО СФУ в 2007 г.
Рецензенты:
Красноярский краевой фонд науки;
Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов дис-
циплин
Астафьева, Е. А.
А91 Технология конструкционных материалов. Версия 1.0 [Электронный ре-
сурс] : электрон. учеб. пособие / Е. А. Астафьева, Ф. М. Носков,
Г. Ю. Зубрилов. – Электрон. дан. (11 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, 2008. –
(Технология конструкционных материалов : УМКД № 26-2007 / рук. творч.
коллектива Е. А. Астафьева). – 1 электрон. опт. диск (DVD). – Систем. требова-
ния : Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ;
512 Мб оперативной памяти ; 11 Мб свободного дискового пространства ; при-
вод DVD ; операционная система Microsoft Windows 2000 SP 4 / XP SP 2 / Vista
(32 бит) ; Adobe Reader 7.0 (или аналогичный продукт для чтения файлов фор-
мата pdf).
ISBN 978-5-7638-1041-7 (комплекса)
ISBN 978-5-7638-1412-5 (пособия)
Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320802389
от 27.11.2008 г. (комплекса)
Настоящее издание является частью электронного учебно-методического комплекса по дисципли-
не «Технология конструкционных материалов», включающего учебную программу, лабораторный
практикум, методические указания по самостоятельной работе, организационно-методические указа-
ния, контрольно-измерительные материалы «Технология конструкционных материалов. Банк тестовых
заданий», а также наглядное пособие «Технология конструкционных материалов. Презентационные
материалы».
Рассмотрены основы строения конструкционных металлических и неметаллических материалов,
приведены методы определения механических свойств материалов, представлена структура технологи-
ческих процессов современного машиностроительного производства: литья, обработки давлением, ре-
занием, сварки, а также основы сборки машин.
Предназначено для студентов направления подготовки бакалавров 150300.62 «Машиностроение»
укрупненной группы 150000 «Материаловедение, металлургия и машиностроение».
© Сибирский федеральный университет, 2008
Рекомендовано Инновационно-методическим управлением СФУ
в качестве учебного пособия
Редактор А. А. Гетьман
Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр технологий элек-
тронного обучения информационно-аналитического департамента СФУ; лаборатория по разработке
мультимедийных электронных образовательных ресурсов при КрЦНИТ
Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного про-
дукта запрещается. Встречающиеся названия программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрирован-
ными товарными знаками тех или иных фирм.
Подп. к использованию 25.09.2008
Объем 11 Мб
Красноярск: СФУ, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79
Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -3-
О
О
Г
Г
Л
Л
А
А
В
В
Л
Л
Е
Е
Н
Н
И
И
Е
Е
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................... 11
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ
ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА.
ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ ........................... 12
1.1. Технологические возможности основных методов получения заготовок 12
1.2. Термины и определения ...................................................................................... 15
1.3. Основные виды, качество и технологичность заготовок ............................. 17
Глава 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В
МАШИНОСТРОЕНИИ, ИХ СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА И
КЛАССИФИКАЦИЯ ................................................................ 20
2.1. Атомно-кристаллическая структура металлов ................................................ 20
2.2. Кристаллографические направления и плоскости ......................................... 22
2.3. Дефекты кристаллической решетки металлов ................................................ 24
2.4. Свойства материалов ........................................................................................... 28
2.5. Классификация металлических материалов .................................................... 40
2.5.1. Сплавы на основе железа ................................................................................ 40
2.5.2. Классификация сталей ..................................................................................... 43
2.5.3. Чугуны ................................................................................................................ 57
2.5.4. Инструментальные материалы ....................................................................... 63
2.5.5. Цветные металлы и их сплавы ........................................................................ 65
2.6. Классификация неметаллических материалов ............................................... 67
2.6.1. Строение и виды полимеров ............................................................................ 67
2.6.2. Строение стекла ................................................................................................ 70
2.6.3. Строение керамики ........................................................................................... 71
Глава 3. ПРОИЗВОДСТВО МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ................................. 73
3.1. Основные направления металлургического производства ......................... 73
3.2. Получение чугуна ................................................................................................... 73
3.3. Производство стали .............................................................................................. 76
3.3.1. Сущность процесса ........................................................................................... 76
ОГЛАВЛЕНИЕ
Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -4-
3.3.2. Производство стали в кислородных конвертерах .......................................... 76
3.3.3. Производство стали в электродуговых печах ................................................ 79
3.3.4. Разливка стали .................................................................................................. 82
3.3.5. Способы повышения качества стали .............................................................. 85
3.3.6. Прямое восстановление железа ...................................................................... 87
3.4. Производство цветных металлов ...................................................................... 89
3.4.1. Производство алюминия .................................................................................. 89
3.4.2. Производство меди ........................................................................................... 90
3.4.3. Производство магния ........................................................................................ 91
3.4.4. Производство титана ........................................................................................ 92
Глава 4. СПОСОБЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК
ДЕТАЛЕЙ МАШИН ............................................................... 94
4.1. Формообразующие технологические процессы ............................................. 94
4.2. Изделия и покрытия, получаемые из материалов в парогазовой фазе ... 95
4.3. Получение заготовок из жидкой фазы методами литья и сварки
плавлением .................................................................................................................... 98
4.4. Получение заготовок пластическим деформированием ............................... 99
4.5. Факторы, определяющие выбор метода получения заготовки ................. 101
Глава 5. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО – СПОСОБ
ПЕРВИЧНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК ИЗ
ЖИДКОПОДВИЖНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
............................................................................................ 105
5.1. Кристаллизация металлов ................................................................................. 105
5.1.1. Физическая сущность процесса ..................................................................... 105
5.1.2. Кристаллизация сплавов ................................................................................ 109
5.1.3. Форма кристаллов и строение слитков ......................................................... 111
5.2. Сущность и значение технологического процесса формообразования
методами литья ........................................................................................................... 115
5.2.1. Классификация литых заготовок ................................................................... 116
5.2.2. Требования к литейным сплавам .................................................................. 117
5.2.3. Литейные свойства сплавов ........................................................................... 117
5.3. Способы изготовления отливок ....................................................................... 118
5.3.1. Изготовление отливок в песчаных формах .................................................. 119
ОГЛАВЛЕНИЕ
Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -5-
5.3.2. Приготовление формовочных и стержневых смесей и их свойства .......... 121
5.3.3. Модельный комплект ...................................................................................... 123
5.3.4. Изготовление литейных форм ....................................................................... 125
5.3.5. Специальные виды литья .............................................................................. 130
5.4. Особенности изготовления отливок из различных сплавов ...................... 138
5.5. Технологичность конструкций литых форм .................................................. 140
5.5.1. Основы конструирования литых заготовок ................................................... 140
5.5.2. Конфигурация отливок, получаемых литьем в песчаные формы .............. 142
5.5.3. Выбор способа литья ...................................................................................... 144
Глава 6. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК
ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ.
ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ЗАГОТОВОК В ТВЕРДОМ
СОСТОЯНИИ ...................................................................... 145
6.1. Виды обработки металлов давлением ........................................................... 145
6.2. Влияние обработки металлов давлением ...................................................... 146
на структуру и свойства металлов .......................................................................... 146
6.2.1. Механизм пластического деформирования ................................................. 146
6.2.2. Особенности деформирования моно- и поликристаллов ........................... 149
6.2.3. Свойства холоднодеформированных металлов .......................................... 152
Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла ............. 153
6.2.5. Горячая деформация ...................................................................................... 154
6.3. Влияние схемы напряженного состояния на пластичность ....................... 157
6.4. Основные типы нагревательных устройств .................................................. 158
6.5. Методы получения машиностроительных профилей ................................. 161
6.5.1. Прокатное производство ................................................................................ 161
6.5.2. Получение профилей методами прессования и волочения ....................... 171
6.6. Методы получения поковок деталей машин .................................................. 175
6.6.1. Ковка металла ................................................................................................. 175
6.6.2. Горячая объемная штамповка ....................................................................... 187
6.7. Холодная листовая штамповка ......................................................................... 200
6.7.1. Общая характеристика процессов получения изделий из листовых
заготовок .................................................................................................................... 200
6.7.2. Основные технологические операции листовой штамповки ....................... 201
ОГЛАВЛЕНИЕ
Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -6-
6.7.3. Конструирование технологичных изделий, изготавливаемых листовой
штамповкой ................................................................................................................ 205
Глава 7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ
ЗАГОТОВОК ....................................................................... 207
7.1. Технологические особенности получения сварных соединений из
основных конструкционных материалов .............................................................. 211
7.2. Сварка плавлением и резка металлов ............................................................. 213
7.2.1. Электродуговая сварка ................................................................................... 213
7.2.2. Источники сварочного тока ............................................................................ 215
7.2.3. Электроды для ручной электродуговой сварки ............................................ 221
7.2.4. Автоматическая дуговая сварка .................................................................... 222
7.2.5. Плазменная сварка ......................................................................................... 224
7.2.6. Электрошлаковая сварка ............................................................................... 225
7.2.7. Лучевые способы сварки ................................................................................ 226
7.2.8. Газовая сварка ................................................................................................ 228
7.2.9. Резка металлов и сплавов ............................................................................. 231
7.3. Сварка давлением ............................................................................................... 234
7.3.1. Контактная сварка ........................................................................................... 234
7.3.2. Диффузионная сварка .................................................................................... 240
7.3.3. Сварка трением ............................................................................................... 241
7.3.4. Общие принципы конструирования сварных заготовок .............................. 242
7.3.5. Напряжения и деформации при сварке ........................................................ 242
7.3.6. Дефекты в сварных соединениях. Методы контроля качества .................. 246
7.4. Пайка ...................................................................................................................... 249
Глава 8. КОМБИНИРОВАННЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ
ЗАГОТОВОК ....................................................................... 251
Глава 9. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
............................................................................................ 255
9.1. Порошковая металлургия .................................................................................. 255
9.1.1. Методы получения порошков ......................................................................... 256
9.1.2. Формообразование заготовок ........................................................................ 259
ОГЛАВЛЕНИЕ
Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -7-
9.1.3. Спекание .......................................................................................................... 263
9.1.4. Изделия из порошковых композиционных материалов ............................... 265
9.1.5. Проектирование технологичных заготовок ................................................... 266
9.2. Способы формования изделий из пластмасс ............................................... 267
9.3. Композиционные материалы. Классификация ............................................. 275
Глава 10. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ОБРАБОТКИ
ЗАГОТОВОК В СОВРЕМЕННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ .......................................... 280
10.1. Обработка заготовок на металлорежущих станках ..................................... 280
10.1.1. Основы теории резания ................................................................................ 280
10.1.2. Элементы процесса резания и геометрия срезаемого слоя ..................... 280
10.1.3. Элементы и части токарного прямого проходного резца .......................... 283
10.1.4. Геометрия инструмента и ее влияние на процесс резания и качество
обработки ................................................................................................................... 284
10.1.5. Физические основы процесса резания металлов ...................................... 286
10.1.6. Силы резания ................................................................................................ 288
10.1.7. Износ и стойкость режущего инструмента .................................................. 290
10.1.8. Смазывающе-охлаждающие технологические среды ............................... 292
10.1.9. Точность обработки и качество обработанной поверхности .................... 293
10.1.10. Производительность обработки ................................................................ 294
10.2. Общие сведения о металлорежущих станках .............................................. 295
10.2.1. Классификация металлорежущих станков ................................................. 295
10.2.2. Кинематика станков ...................................................................................... 297
10.2.3. Кинематические схемы металлорежущих станков .................................... 300
10.3. Обработка заготовок на станках токарной группы ..................................... 302
10.3.1. Характеристика методов точения ................................................................ 304
10.3.2. Токарные резцы ............................................................................................ 304
10.3.3. Рабочие приспособления для токарной обработки ................................... 305
10.3.4. Станки токарной группы и примеры обработки заготовок......................... 307
10.3.5. Технологические требования к деталям, обрабатываемым на станках
токарной группы ........................................................................................................ 315
10.4. Обработка заготовок на сверлильных станках ........................................... 316
ОГЛАВЛЕНИЕ
Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -8-
10.4.1. Схемы обработки поверхностей на станках сверлильной группы ........... 317
10.4.2. Особенности процесса сверления .............................................................. 328
10.4.3. Режимы резания при сверлении .................................................................. 328
10.4.4. Станки сверлильной группы ......................................................................... 328
10.4.5. Технологические требования к деталям, обрабатываемым на
сверлильных станках ................................................................................................ 330
10.5. Обработка заготовок на расточных станках ................................................ 330
10.5.1. Особенности обработки заготовок на расточных станках ......................... 331
10.5.2. Режущий инструмент .................................................................................... 333
10.5.3. Технологическая оснастка, применяемая при растачивании ................... 334
10.5.4. Расточные станки .......................................................................................... 335
10.5.5. Технологические требования к деталям, обрабатываемым на расточных
станках ....................................................................................................................... 338
10.6. Обработка заготовок на протяжных станках ................................................ 339
10.6.1. Элементы и геометрия режущей части протяжек ...................................... 339
10.6.2. Особенности процесса протягивания ......................................................... 343
10.6.3. Протяжные станки ......................................................................................... 345
10.6.4. Технологические требования к деталям, обрабатываемым на протяжных
станках ....................................................................................................................... 347
10.7. Обработка заготовок на фрезерных станках ............................................... 349
10.7.1. Схемы обработки поверхностей на станках фрезерной группы ............... 349
10.7.2. Схемы фрезерования ................................................................................... 351
10.7.3. Особенности процесса и режимы резания при фрезеровании ................ 353
10.7.4. Силы резания ................................................................................................ 354
10.7.5. Элементы и геометрия фрез ....................................................................... 355
10.7.6. Типы фрез ...................................................................................................... 357
10.7.7. Станки фрезерной группы ............................................................................ 360
10.7.8. Технологические требования к деталям, .................................................... 366
10.8. Обработка заготовок на строгальных и долбежных станках ................... 367
10.8.1. Характеристика методов строгания и долбления ...................................... 367
10.8.2. Строгальные и долбежные резцы и рабочие приспособления ................ 369
10.8.3. Строгальные и долбежные станки .............................................................. 370
10.8.4. Технологические требования к деталям, обрабатываемым на строгальных
и долбежных станках ................................................................................................ 372
ОГЛАВЛЕНИЕ
Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -9-
10.9. Резьбо- и зубонарезание .................................................................................. 374
10.9.1. Резьбонарезание .......................................................................................... 374
10.9.2. Зубонарезание .............................................................................................. 376
10.9.3. Технологические требования к конструкции зубчатых колес .................... 382
10.10. Обработка заготовок шлифованием ............................................................ 383
10.10.1. Особенности процесса резания при шлифовании ................................... 383
10.10.2. Износ, стойкость и правка кругов ............................................................... 383
10.10.3. Испытания и балансировка кругов. Правила техники безопасности ...... 384
10.10.4. Абразивный инструмент ............................................................................. 385
10.10.5. Станки шлифовальной группы ................................................................... 390
10.10.6. Технологические требования к деталям, обрабатываемым шлифованием
.................................................................................................................................... 392
10.11. Отделочные операции .................................................................................... 393
Глава 11. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК
............................................................................................ 401
11.1. Электрофизические методы обработки поверхностей заготовок .......... 401
11.2. Электрохимическая обработка ....................................................................... 406
Глава 12. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННЫХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНЫХ
СЛОЕВ ................................................................................ 418
12.1. Наплавка и газотермическое нанесение покрытий ..................................... 418
12.2. Виды химико-термической обработки .......................................................... 421
12.2.1. Цементация стали ......................................................................................... 421
12.2.2. Азотирование стали ...................................................................................... 422
12.2.3. Методы совместного насыщения азотом и углеродом .............................. 423
12.2.4. Насыщение металлами ................................................................................ 423
Глава 13
.
ОСНОВЫ СБОРОЧНЫХ РАБОТ И
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА .... 425
13.1. Машина и ее служебное назначение .............................................................. 425
13.2. Технологичность сборочных единиц ............................................................ 427
ОГЛАВЛЕНИЕ
Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -10-
13.3. Разработка последовательности сборки ...................................................... 433
13.4. Автоматизированное проектирование технологии сборочно-монтажных
работ .............................................................................................................................. 437
13.5. Технологическая подготовка производства серийных изделий ............ 438
Глава 14. ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОГО
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА И
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ............................... 442
14.1. Проблемы машиностроительного производства и методы их решения
........................................................................................................................................ 442
14.2. Направления природосбережения при проектировании
машиностроительных производств ....................................................................... 449
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ..................................... 453