БАКАЛАВРИАТ
А.Г. Кобелев
М.А. Шаронов
О.А. Кобелев
В.П. Шаронова
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ТЕХНОЛОГИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Рекомендовано УМО учебных заведений
Российской Федерации по образованию
в области сервиса и туризма
в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся
по направлению подготовки "Сервис» и специальности «Сервис»
КНОРУС • МОСКВА • 2014
KnoniSm^di^
электронные версии книг
БАКАЛАВРИАТ
А.Г. Кобелев
М.А. Шаронов
О.А. Кобелев
В.П. Шаронова
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ТЕХНОЛОГИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Рекомендовано УМО учебных заведений
Российской Федерации по образованию
в области сервиса и туризма
в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся
по направлению подготовки "Сервис» и специальности «Сервис»
КНОРУС • МОСКВА • 2014
KnoniSm^di^
электронные версии книг
УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3я73
K5S
Рецензенты:
Ю.Я. Тюменев. проф кафедры «Технология, конструирование и экспертиза
изделии» ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма
и сервиса», канд техн, наук,
Р.Л. Шаталов, заведующий кафедрой «Металлургия, металловедение и обработка
металлов давлением». Московский государственный открытый университет, д-р
техн, наук, проф
Кобелев А.1.
К55 Материаловедение. Технология композиционных материалов : учеб-
ник /А.Г. Кобелев, М.А. Шаронов, О.А. Кобелев, В.П. Шаронова. — М .
КНОРУС, 2014. — 270 с. — (Бакалавриат)
ISBN 978-5-406-03912-0
Представлены основы теории создания слоистых композитов, показаны осо-
бенности и конкретные примеры технологических процессов получения компо-
зиционных материалов литым плакированием и наплавкой, совместной горячей
и холодной пластической деформацией, сваркой взрывом, а также комбинацией
этих способов, рассмотрены новые инновационные технологические решения по
организации производства нанокомпозитов и контролю качества и др
Соответствует действующему Федеральному государственному образователь-
ному стандарту высшего образования нового поколения.
Для студентов бакалавриата и магистратуры, обучающихся по направлению
^Сервис», аспирантов, креподаватеюи и ссушанеий системы послевузовского и до-
пашите юного профессиони иного образования
УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3я73
Кобстсв Анатолий Германович, Шаронов Михаил Александрович,
Кобелев Олег Анатольевич, Шаронова Валентина Петровна
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ТЕХНОЛОГИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Сертификат соответствия Ns РОСС RU AE5I H 16509 от 18 06 2013
Изд Ns 7764 Формат60x90/16 Подписано в печать 13 05 2014
117218. г Москва, ул Кедрова, д 14. корп 2
Тел 8-495-741-46-28.
E-mail oHice@knorus ni hup //www.knorus ni
111020,
ISBN 978-5-406-03912-0
Ё1 Кобелев А Г, Шаронов М А ,
Кобелев О.А.. Шаронова В П , 2014
6 ООО «Издательство «КиоРус», 2014
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение . .	...	5
Глава 1. Классификации композиционных материалов и способов
их получения................................................. 9
1.1.	Классификация композиционных материалов	9
1.2.	Виды слоистых композиционных материалов.	13
1.3.	Классификация способов получения слоистых
композиционных материалов................................ 24
Глава 2. Основы теории соединения металлов	29
2.1	. Методология создания слоистых композитов
и проектирования технологии для их производства	29
2.2	Соединение металлов в жидкой фазе..................... 36
2.3	. Физико-химические основы соединения металлов в твердой
фазе..................................................... 38
2.4	Особенности образования соединения металлов при
совместной пластической деформации....................... 49
2.5	. Особенности деформации слоистых композитов при
прокатке в вакууме или контролируемых средах	.......... 58
2.6	Физическая природа образования соединения при сварке
металлов взрывом......................................... 63
Глава 3. Промышленные способы производства композиционных
материалов ....	................. .	.	70
3.1	. Производство композитов литьем и наплавкой	...	70
3.2	Производство композиционных материалов горячей
совместной пластической деформацией ...	88
3.3	. Производство композитов прокаткой в вакууме
и контролируемых средах. ...	...... ............ 108
3.4	Технология производства СКМ диффузионной сваркой. . .	116
3.5	. Сварка взрывом композиционных материалов	122
3.6	Холодное рулонное плакирование....................... 148
Глава 4. Термическая обработка композитов	153
4.1.	Соединения разнородных сталей........................ 153
4.2.	Соединения металлов, не взаимодействующих
между собой............................................. 158
4.3.	Соединения металлов, образующих между собой твердые
растворы..............................................   159
4.4.	Соединения металлов, образующих между собой химические
соединения.............................................. 161
4 • ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 5. Волокнистые композиционные материалы	162
5.1	. Строение, свойства и классификация В КМ	162
5.2	Способы производства ВКМ .	168
5.3	Применение ВКМ	186
Глава 6. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы	190
6.1	. Классификация дисперсно-упрочненных композитов. .	190
6.2	Технология получения Д КМ .	  192
6.3	Свойства и применение дисперсно-упрочненных композитов 204
Глава 7. Нанокомпозиты....................................   207
7.1	Дискретные наноматериалы, применяемые в производстве
композитов.............................................. 207
7.2	Основные способы компактирования порошковых
материалов............................................   214
7.3	Применение металлических нанопорошков для получения
металломатричных композитов............................. 226
7.4	Покрытия из композиционных материалов с дискретными
упрочняющими частицами. .	236
Глава 8. Контроль качества, применение биметаллов, особенности
обработки................	241
8.1	. Показатели качества	241
8.2	Применение коррозионностойких Биме галлов	248
8.3	Особенности получения изделий из биметаллов	256
Список рекомендуемой литературы............................. 269
ВВЕДЕНИЕ
Развитие техники и появление инновационных технологий вызы-
вают необходимость создания материалов, обладающих комплексом
ценных свойств, таких как высокая прочность, коррозионная стой-
кость. электро- и теплопроводность, жаропрочность, износостойкость
и др. Отдельные металлы и сплавы часто не могут обеспечить требуе-
мую гамму свойств. Поэтому важная роль в создании новых матери-
алов со специальными свойствами принадлежит слоистым, волок-
нистым (армированным) и дисперсно-упрочненным металлическим
композициям. Такие материалы могут быть изготовлены с помощью
соединения разнородных металлов в монолитную композицию, со-
храняющую надежную связь составляющих при дальнейшей техноло-
гической обработке и в условиях эксплуатации, в частности при оказа-
нии услуг технического или производственного сервиса.
Большое значение имеет создание слоистых металлических компо-
зиций — материалов, состоящих из двух или более слоев двух или бо-
лее разнородных металлов, объединяющих в себе полезные свойства
составляющих и обладающих новыми качествами, отличными от ка-
честв исходных металлов. Основную часть этих материалов представ-
ляют биметаллы — слоистые композиции, состоящие из слоев двух
металлов.
Применение слоистых металлических композиций позволяет по-
высить надежность и долговечность большого класса деталей и обору-
дования, что не только значительно сократит расходы на их изготовле-
ние в результате экономии дорогостоящих цветных металлов (никель,
хром, титан, молибден и др.), но и их технологическую эксплуатацию,
в том числе обслуживание и ремонт. Кроме того, использование слои-
стых композиций с новым комплексом ценных свойств способствует
разработке более совершенных конструктивных решений при созда-
нии современных машин, приборов, аппаратов, а также новых техно-
логий обслуживания и ремонта.
Слоистые металлические композиты известны человеку уже мно-
го столетий, медные и бронзовые украшения, покрытые слоем сере-
бра и золота; дамасская сталь, получаемая совместной ковкой пакета
из нескольких слоев или проволок железа и стали, двух- и трехслойные
клинки и различные инструменты. В конце XIX — начале XX в. биме-
таллы стали производить промышленными методами: биметалличе-
ские провода, двухслойные листы и трубы, термобиметаллы применя-
лись в ряде отраслей экономически развитых стран Европы и США.
6 • ВВЕДЕНИЕ
Один из первых промышленных биметаллов — сталемедная прово-
лока, применявшаяся вместо медной в слаботочных цепях (телефон-
ных, телеграфных, сигнальных и т.п.) Такую проволоку в конце XIX в.
изготовляли в США, Франции и Германии. Способ получения такой
проволоки заключался в следующем, предварительно очищенный
от поверхностных загрязнений и окисной пленки стальной цилин-
дрический сердечник погружали в жидкую медь, а затем сердечник,
покрытый тонким слоем меди, устанавливали в изложнице и заливали
жидкой медью. В дальнейшем биметаллическую заготовку прокатыва-
ли в калибрах и волочили до получения проволоки диаметром 1—5 мм.
Примерно в это же время началось и промышленное производство
биметаллических листов с помощью совместной прокатки разнород-
ных металлов. Биметалл сталь + алюминий (так называемый ферран)
применяли для изготовления посуды, ложек, консервных банок, би-
донов и т.п. Для изготовления посуды использовали также биметалл
сталь + никель.
В Советском Союзе промышленное производство биметаллов
впервые было освоено на заводах им. С. Орджоникидзе (г. Кольчуги-
но), «Красный Выборжец» (г. Ленинград) и «Серп и молот» (г. Москва).
В 1928 году было налажено производство сталемедной проволоки с по-
мощью заливки стального стержня жидкой медью и последующей
прокатки и волочения. Позднее, в 1930 г., начали производить биме-
таллическую проволоку методом совместной прокатки и волочения.
Одновременно развивалось и производство биметаллических листов
и лент. В 1929 году начали выпускать листы дуралюмина, плакиро-
ванные чистым алюминием толщиной 5—10% от толщины основного
слоя. В 1931 году был налажен выпуск биметаллических листов сталь +
+ алюминий для изготовления посуды. В больших для того времени
масштабах производили методом горячей прокатки биметалл сталь —
томпак толщиной 0,15—1 мм. По заказу радиотехнической промыш-
ленности было освоено производство биметаллической ленты и про-
волоки сталь + никель, которые стали применять для изготовления
анодов радиоламп, ранее делавшихся из чистого никеля.
Биметаллические трубы изготовляли с помощью формовки сталь-
ного листа с нанесенным на него гальваническим способом слоем
меди в трубную заготовку и ее последующей раскатки на оправке,
а также методом совместной протяжки через волоку биметаллической
заготовки, собранной из двух коаксиальных труб.
Горячей совместной прокаткой получали термобиметаллы сталь +
+ инвар, гомпак + инвар, латунь + инвар и др. Осваивали также ме-
тоды получения биметаллического литья для изготовления втулок.
Введение • 7
подшипников и других деталей для авиа- и автостроения. Был исполь-
зован метод непрерывной заливки баббита и свинцовистой бронзы
на стальную ленту.
Наиболее широкий класс биметаллов представляют коррозион-
ностойкие композиты. Основным источником экономической эф-
фективности их применения в народном хозяйстве является эконо-
мия дефицитных и дорогостоящих легирующих элементов. Особенно
большой эффект получается при использовании слоистых металлов
взамен чистых — никеля, меди, титана и сплавов на их основе. Еше
экономичней замена вольфрама, молибдена, серебра и других цветных
и драгоценных металлов композициями с основным слоем из относи-
тельно дешевого металла
Электротехническая промышленность — крупный потребитель би-
металлической проволоки (сталь + алюминий, сталь + медь, сталь +
+ латунь). Такая проволока отличается высокой прочностью, хоро-
шей токопроводимостью и используется для городских сетей, дальних
линий связи и сигнализации, для электрификации железнодорож-
ного транспорта, объектов сельского хозяйства. Листовой и круглый
электротехнический биметалл служит в качестве токоведуших шин,
переходников, контактных устройств. Весьма разнообразны области
использования антифрикционных биметаллов, а также слоистых ком-
позитов для строительных конструкций и бытовых изделий.
Таким образом, применение слоистых композитов позволяет су-
щественно повысить эффективность производства деталей и обо-
рудования для предприятий химического, нефтяного, сельскохо-
зяйственного, транспортного, энергетического и других отраслей
машиностроения. К потребителям слоистых композиционных ма-
териалов относятся также приборостроение и радиоэлектроника,
инструментальная промышленность, предприятия, производящие
товары культурно-бытового и хозяйственного назначения или ока-
зывающие медицинские услуги, а также предприятия технического
и производственного сервиса.
Промышленное производство биметаллов, зародившись в конце
XIX в., к 60—80-м гг. XX в. достигло определенного максимума. Опре-
делилась структура потребления биметаллов различными отраслями
промышленности; сложилось и распределение областей использова-
ния тех или иных способов получения конкретных видов слоистых
композитов. Сегодня биметаллы — это важнейшая группа промыш-
ленных материалов с широким спектром свойств. Биметаллы изготов-
ляют в виде лент, листов, прутков, проволоки, груб, фасонных про-
филей, т.е. почти во всех видах, присущих изделиям из монометаллов
8 • ВВЕДЕНИЕ
и их сплавов. Однако возможности существующих технологий произ-
водства этих перспективных материалов далеко не исчерпаны.
Разработка эффективных технологий производства слоистых ком-
позиционных материалов, расширение их сортамента способны дать
мощный импульс техническому прогрессу. Несмотря на довольно про-
должительный опыт создания композитов, они до сих пор не заняли
подобающего места в ряду современных конструкционных и функ-
циональных материалов, что можно объяснить отставанием техно-
логической надстройки от экспериментальной и теоретической базы
в области твердофазного соединения разных металлов, ограниченным
применением многих эффективных процессов, например прокатки
в контролируемых средах, холодного плакирования и сварки взрывом.
Существующие технологические решения порой не отличаются
вескими экономическими преимуществами, без чего невозможно го-
ворить об их перспективности. Кроме того, определенный техноло-
гический консерватизм иногда преграждает дорогу нетрадиционным
разработкам.
К главным задачам в области производства и применения слои-
стых композитов следует отнести расширение сортамента и повыше-
ние их качества (увеличение прочности соединения слоев, снижение
разно юлшинности. улучшение качества поверхности, с дебилизацию
механических свойств и структуры и т.д.), а также дальнейшее расши-
рение областей их применения в различных отраслях хозяйства, в том
числе и в наиболее динамично развивающейся в условиях постинду-
стриального общества сфере обслуживания. Последнее должно бази-
роваться на анализе потребности (существующей и перспективной)
в различных видах композитов, а также на производственных воз-
можностях действующего технологического оборудования. Существу-
ющая научная и технологическая база, производственные мощности
металлургических предприятий вполне могут обеспечить потребности
нашей страны в высокоэффективной и экономичной металлопродук-
ции — слоистых композиционных материалах.
Авторы выражают глубокую благодарность засл, деятелю науки,
д-ру техн, наук, проф. Н.А. Чиченеву и д-ру техн, наук, проф. Р.Л. Ша-
талову за ценные советы и замечания, высказанные при рецензирова-
нии и обсуждении рукописи учебника.
Тематическая подборка издательства «КНОРУС»
Сироткин О С. Основы материаловедения : учеб, пособие М. . КНОРУС,
2014
Черепахин А.А. Материаловедение: учебник. М.. КНОРУС, 2014.
Чумаченко Ю Т. Материаловедение и слесарное дело: учебник. М.: КНОРУС,
2013.