Колесник П.А., Кланица В.С. Материаловедение на автомобильном транспорте

Подождите немного. Документ загружается.

П. А. Колесник

В. С. Кланица

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

НА АВТОМОБИЛЬНОМ

ТРАНСПОРТЕ

2-е издание

Транспорт

ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

П.А.КОЛЕСНИК, B.C.КЛАНИЦА

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

НА АВТОМОБИЛЬНОМ

ТРАНСПОРТЕ

Учебник

Допущено

Учебно-методическим объединением по образованию в области менеджмента

в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по специальности «Менеджмент организации»

2-е издание, стереотипное

Москва

Издательский центр «Академия»»

2007

УДК 620.22:656.13(075.8)

ББК 30.3:39.3я73

К603

Рецензенты:

доцент кафедры ПРАДМ МАДИ (ГТУ) Г.Н.Доценко\

зав. кафедрой «Управление на автомобильном транспорте» ИУТ ГУУ,

д-р экон. наук, проф. В. С. Горин

Колесник П. А.

К603 Материаловедение на автомобильном транспорте : учеб

ник для студ. высш. учеб. заведений / П. А. Колесник, В. С. Кла

ница. — 2-е изд., стер. — М. : Издательский центр «Акаде

мия», 2007. — 320 с.

ISBN 978-5-7695-3412-6

Приведены сведения о металлах и их сплавах, автомобильных топли

вах, смазочных материалах, технических жидкостях, пластмассах, лако

красочных и резиновых материалах, используемых при производстве,

ремонте, техническом обслуживании и эксплуатации автомобилей. По

дробно рассмотрены мероприятия, направленные на организацию рациональ

ного использования перечисленных материалов при эксплуатации авто

мобилей.

Для студентов высших учебных заведений. Может быть полезен специ

алистам автотранспортной отрасли.

УДК 620.22:656.13(075.8)

ББК 30.3:39.3я73

Оригинал-макет данного издания является собственностью Издательского

центра «Академия», и его воспроизведение любым способом без согласия

правообладателя запрещается

ISBN 978-5-7695-3412-6 © Оформление. Издательский центр «Академия», 2005

ПРЕДИСЛОВИЕ

Сведения о свойствах конструкционных материалов, исполь

зуемых в автомобилестроении, а также о свойствах материалов,

потребляемых в процессе эксплуатации автомобилей, остро необ

ходимы как конструкторам, занятым проектированием и произ

водством автомобилей, так и специалистам, работающим в сфере

эксплуатации автотранспорта и автобизнесе. Именно такие сведе

ния и являются предметом рассмотрения материаловедения.

Материаловедение — наука, изучающая связь между строени

ем (структурой) и свойствами материалов, а также пути получе

ния (производства) материалов, улучшения их свойств и эффек

тивного использования.

Металлы и их сплавы, топлива, масла и смазки, пластмассы и

резина, а также многие другие материалы, используемые при из

готовлении, ремонте и эксплуатации автомобилей, являются про

дуктами переработки сырья, добываемого из недр земли.

Наша страна чрезвычайно богата природными ископаемыми,

однако их запасы не бесконечны и постепенно истощаются, в то

время как обусловленные техническим прогрессом масштабы до

бычи непрерывно растут. Для разрешения такого противоречия в

разработку неизбежно вовлекаются месторождения, расположен

ные на все большей глубине, во все более трудных и менее благо

приятных географических условиях, что, в свою очередь, удоро

жает добычу. Отмеченное касается в первую очередь нефти и при

родного газа, представляющих собой ценнейшее сырье для полу

чения основных автоэксплуатационных материалов и многих дру

гих продуктов.

В этой связи особое значение приобретают меры по более глу

бокой переработке извлекаемого сырья с целью увеличения вы

хода готовой продукции и по наиболее рациональному ее исполь

зованию.

Автомобильный транспорт страны использует значительную

часть производимых продуктов переработки нефти и газа в виде

топлива и масла, а также металла, воплощенного в конструкцию

автомобилей и в виде запасных частей, используемых при их ре

монте.

Организация рационального использования материальных ресур

сов на автомобильном транспорте имеет важное народно-хозяйст-

венное значение, от ее совершенства в значительной степени за

висит экономическая эффективность работы отрасли в целом.

Так, например, в структуре себестоимости автомобильных пе

ревозок затраты только на топливосмазочные материалы (ТСМ)

составляют более 25 %. При этом диапазон колебаний указанных

затрат широк и зависит от уровня организации использования

материалов.

От качества применяемых материалов, их соответствия дан

ным условиям эксплуатации зависят надежность, долговечность,

производительность автомобиля, а также затраты на его техни

ческое обслуживание (ТО) и ремонт.

Рациональная организация использования материалов означает

в первую очередь применение только таких материалов, которые

по своим качественным характеристикам удовлетворяют данным

условиям.

В то же время применение материалов более высокого каче

ства, чем требуется, ведет к неоправданному завышению затрат

на них. В этом случае повышенная стоимость не будет реализова

на, так как данная конкретная конструкция механизма, агрегата

и автомобиля в целом не рассчитана на материал с такими по

вышенными свойствами. Применение материала более низкого ка

чества, чем требуется, неизбежно приводит к сокращению сроков

службы и ухудшению технических характеристик деталей, узлов,

механизмов, агрегатов и автомобиля в целом, а также к повы

шенному расходу самих материалов и, как следствие, к увеличе

нию эксплуатационных затрат.

Знание показателей, которыми характеризуются качество,

физические, химические и механические свойства того или иного

материала, а также технико-экономических требований к данно

му материалу очень важно, так как позволяет судить о возможной

сфере их использования, о создании необходимых условий при

хранении и применении с целью обеспечения минимальных экс

плуатационных затрат.

В данном учебнике приведены сведения, необходимые буду

щим специалистам автомобильного транспорта для организации

рационального использования материалов.

По каждому из видов материалов рассмотрены технико-эконо

мические требования к ним, физико-химические свойства и экс

плуатационные качества.

В учебнике значительное внимание уделено изложению общих

принципиальных вопросов по каждой из групп материалов. Так

как эти сведения в меньшей степени подвержены изменениям во

времени, чем конкретные разработки, они являются базовыми

при решении конкретных вопросов применения не только выпус

каемых в настоящее время материалов, но и тех или иных их раз

новидностей, которые должны появиться в дальнейшем.

Однако конкретные данные по отдельным разновидностям

материалов, выпускаемых промышленностью в настоящее время,

в книге также приводятся. В первую очередь это относится к таким

наиболее важным автоэксплуатационным материалам, как, на

пример, бензины, дизельные топлива и т.д. Для них приводятся

данные по всему ассортименту.

Все вопросы рассматриваются с позиций рациональной орга

низации использования материалов, обеспечивающей минималь

ные затраты без ухудшения технико-экономических характеристик

автомобилей и с целью снижения себестоимости перевозки гру

зов и пассажиров на автомобильном транспорте.

ЧАСТЬ I

МЕТАЛЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ

И РЕМОНТЕ АВТОМОБИЛЕЙ

Глава 1

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СТРУКТУРЕ МЕТАЛЛОВ

И ИХ СПЛАВОВ

1.1. Физико-химические понятия о строении металлов

Металлами называют вещества, обладающие высокой элект

ропроводностью, теплопроводностью, пластичностью и своеоб

разным металлическим блеском.

Указанными свойствами обладают не только чистые металлы,

но и сложные вещества, являющиеся сочетанием неметаллов,

карбидов, оксидов и др. и двух и более металлов, называемые

металлическими сплавами, которые в широком смысле также

относят к металлам, так как эти однородные системы сохраняют

металлические свойства.

В мировой практике сложилось деление металлов на две боль

шие группы — черные и цветные. К черным металлам относят

ся железо и сплавы на его основе — чугуны, стали, ферросплавы,

цветным металлам — все остальные (Си, Al, Mg, Pb, Zn,

Sn, Ti, Cr, Ni, Mo, Со и т.д.). Наибольшее распространение из

цветных металлов получил алюминий.

В зависимости от условий окружающей среды (температуры и

давления) металлы и сплавы могут находиться в разных агрегат

ных состояниях (твердом, жидком, газообразном, плазменном),

которые различаются степенью закономерности расположения

частиц вещества, величиной и природой сил, действующих меж

ду частицами, характером движения самих частиц.

В твердом агрегатном состоянии металлы имеют либо кри

сталлическое строение, когда атомы вещества расположены в про

странстве закономерно, либо аморфное с хаотическим расположе

нием микрочастиц (например, металлические стекла). В твердом

состоянии металла расстояния между образующими его микроча

стицами такого же порядка, что и размер самих частиц, а энергия

их взаимодействия значительно превышает их кинетическую энер

гию. Основным видом движения микрочастиц (атомов, ионов) в

обычном естественном состоянии вещества является их тепловое

Рис. 1.1. Схема упорядоченного

взаимного расположения атомов

в идеальной кристаллической ре

шетке металла:

а — изображение в плоскости; б —

вид в пространстве

колебательное движение. Силы притяжения и отталкивания между

частицами, составляющими вещество, уравновешены, и тело в

целом сохраняет свои форму и объем и обладает большим сопро

тивлением напряжению сдвига. В таком состоянии для вещества

характерен так называемый дальний порядок, т. е. упорядоченность

во взаимном расположении атомов, повторяющаяся на неограни

ченно больших расстояниях. В частности, кристаллическое строение

металлов характеризуется тем, что их атомы образуют простран

ственную кристаллическую решетку, состоящую из элементарных

кристаллических ячеек, расположенных регулярно в трехмерном

пространстве. Для наглядности на рис. 1.1 показан принцип плос

костного и пространственного изображения решетки кристалли

ческого материала. В узлах решетки расположены атомы (ионы),

связь между которыми показана линиями. Ниже изложены основ

ные понятия кристаллографии.

Элементарная ячейка кристалла — это наименьший объем крис

талла, позволяющий судить об атомной структуре металла, после

довательным перемещением которой в направлении характеристи

ческих осей можно воссоздать кристаллическую решетку в целом.

Типы кристаллических ячеек у разных металлов различны и

зависят от порядка расположения атомов в решетке. Многие метал

лы имеют кристаллические решетки, элементарные ячейки которых

представляют собой объемно-центрированный куб (рис. 1.2, а),

гранецентрированный куб (рис. 1.2, б), или имеют гексагональную

плотноупакованную решетку (рис. 1.2, в). Построение кристалли

ческих ячеек решетки, приведенное на рис. 1.2, является услов

ным.

Расстояния ап с между соседними атомами (см. рис. 1.2) в кри

сталлической решетке, называемые периодом решетки,

определяют ее кристаллографические параметры, измеряемые в

нанометрах1 (1 нм = 10 А = 10_7см). О порядке величины периодов

решетки можно судить, например, по значениям параметров для

металлов с кубической ячейкой, равным 0,3...0,6 нм.

1 В специальной металловедческой литературе широко используют внесис

темную единицу длины, характеризующую размер микрочастицы, — ангстрем:

1 А = 10-'° м.

Рис. 1.2. Типы элементарных ячеек ряда металлов:

а — объемно-центрированная кубическая; 6 — гранецентрированная кубиче

ская; в — гексагональная плотноупакованная; а и с — параметры решетки

(ее период)

При изменении температуры в структуре кристаллов ряда ме

таллов происходит процесс перегруппировки атомов с изменени

ем вида кристаллической решетки, называемый аллотропным или

полиморфным превращением. Таким образом, один и тот же ме

талл в результате аллотропии (или полиморфизма) может суще

ствовать в виде двух или более простых веществ. Соответственно и

различные кристаллические формы металла называются аллотроп

ными или полиморфными модификациями и обозначаются началь

ными буквами греческого алфавита — а, р, у, 8 и т.д. Буква а

присвоена модификации металла, существующей при самой низ

кой температуре. Следующие буквы относятся к модификациям с

более высокой температурой.

Процесс аллотропного превращения происходит при соответству

ющей, но для каждого вещества своей и постоянной, температуре и

сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации при

охлаждении (или ее поглощением при нагреве). Вследствие постоян

ства температуры аллотропное превращение на кривой охлаждения

(нагрева) имеет вид горизонтальной прямой.

В частности, железо, являясь полиморфным металлом, может

существовать в нескольких аллотропных модификациях (рис. 1.3).

До температуры 910 °С железо имеет объемно-центрированную

кубическую (ОЦК) решетку. При 768 °С на кривых нагрева и

охлаждения выявляется так называемая ступенька, связанная не

с перестройкой решетки, а с потерей магнитных свойств. Ниже

этой температуры железо магнитно и называется «a-железо», a

Рис. 1.3. Кривые нагрева и охлаждения железа при полиморфном превра

щении:

t — температура; т — время; а, р, у и 8 — аллотропные модификации металла

будучи нагретым выше указанной температуры в интервале до 910 “С

металл, имея ту же решетку ОЦК, теряет магнитные свойства и

называется «р-железо».

В интервале температур 910... 1400 “С в результате полиморфного

превращения формируется гранецентрированная кубическая

(ГЦК) решетка металла, и в этой зоне его называют «у-железо».

Существует также высокотемпературная модификация железа,

устойчивая при температурах 1400... 1539°С, имеющая прежнюю

объемно-центрированную кубическую решетку, но в отличие

от a-железа имеет несколько иной период и называется «5-же

лезо».

Аллотропные превращения разных металлов имеют свои осо

бенности, знание которых необходимо для практического исполь

зования при получении сплавов, а также для проведения терми

ческой или химико-термической обработки изделий из них.

Следует отметить, что строго периодическое в трех измерениях

расположение атомов в кристаллической решетке, так называе

мая упаковка атомов, принятая ранее при рассмотрении

элементарных ячеек, в реальных кристаллических материалах не

выдерживается по всему объему кристаллов. Для реальных крис

таллов характерны отклонения от идеальности, т. е. имеют место

несовершенства их строения — точечные, линейные, поверхност

ные, которые изменяют свойства металлов.

Основной причиной возникновения несовершенств строения

кристаллов являются более высокие, чем в состоянии равновесия,

тепловые колебания в узлах кристаллической решетки отдельных