Рекомендовано Научно-методическим советом по

Рекомендовано Научно-методическим советом по материаловедению и технологии конструкционных
материалов Министерства образования и науки РФ в качестве учебного пособия для студентов вузов,
обучающихся по машиностроительным специальностям
Физико-химические основы технологических процессов и обработки конструкционных
материалов: Уч. пос./ Р.Г. Тазетдинов. - 2-e изд., доп. и испр. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2014. - 400 с.:
60x88 1/16. - (ВО: Бакалавриат). (п) ISBN 978-5-16-008967-6 DOI 10.12737/2146
С единых позиций термодинамики в обобщенном виде описаны основные физико-химические процессы,
происходящие в конструкционных материалах при различных технологических способах их получения и
обработки. Представлены методы расчета этих процессов.
Пособие предназначено для студентов технических вузов. Оно может быть полезно также всем, кто
стремится углубленно изучать технологию конструкционных материалов.
ПРЕДИСЛОВИЕ................................ ................................................................... 3
Глава 1
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ОБЩНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ .......................................... 5
1.1. Обобщенная термодинамическая система
технологического процесса обработки материала ......... ..................................... 5
1.2. Термодинамические критерии равновесия и направленности
технологических процессов обработки материалов………………………………..10
Глава 2
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ .................................................................. 18
2.1. Основные химические реакции и другие химические превращения............ 18
2.2. Понятия фазы, компонента, параметра термодинамической системы ....... 21
2.3. Термодинамика окисления металлов и диссоциации оксидов, карбонатов
и других соединений ........................................................................................... 22
2.3.1. Общий анализ на примере диссоциации оксидов и окисления
металлов……………………………………………………………………………………22
2.3.2. Диссоциация (окисление) в системах с конденсированными фазами
постоянного состава ........................................................................................... 23
2.3.3. Диссоциация карбонатов металлов .......................................................... 27
2.3.4. Особенности диссоциации в системах с конденсированными фазами
переменного состава .......................................................................................... 27
2.3.5. Диссоциация оксидов железа .................................................................... 30
2.4. Термодинамика восстановления металлов из их оксидов .......................... 32
2.4.1. Общий анализ процесса восстановления…………………………………….32
2.4.2. Восстановление оксидов металлов газами ............................................... 35
2.4.3. Восстановление водородом ...................................................................... 37
2.4.4. Восстановление оксидов железа газами................................................... 37
2.4.5. Восстановление оксидов твердым углеродом (прямое восстановление).39
2.4.6. Восстановление оксидов железа с участием твердого углерода ............. 41
2.4.7. Металлотермическое восстановление ...................................................... 43
2.5. Механизм и кинетика диссоциации оксидов, карбонатов и других
соединений ………………………………………………………………………………...44
2.6. Кинетика окисления твердых металлов ....................................................... 47
2.7. Механизм и кинетика восстановления металлов из твердых оксидов
газами ................................................................................................................. 49
2.8. Взаимодействие металлов со шлаками ....................................................... 51
2.8.1. Функции шлаков......................................................................................... 51
2.8.2. Строение расплавленных шлаков ............................................................. 52
2.8.3. Распределение компонентов между металлом и шлаком ........................ 52
2.8.4. Окислительные свойства шлака................................................................ 54
2.8.5. Окислительные реакции с примесями металла ........................................ 56
2.8.6. Термодинамика и кинетика окисления углерода в жидком железе........... 58
2.8.7. Термодинамические закономерности окисления марганца и кремния
в стальной ванне................................................................................................. 61
2.8.8. Процессы очистки металла от серы и фосфора ....................................... 62
2.8.9. Раскисление жидкого металла…………………………………………………..64
2.9. Взаимодействие жидкого металла с газовой атмосферой .......................... 68
2.9.1. Термодинамика процессов растворения газов в металле ........................ 68
2.9.2. Дегазация металла ................................................................................... 70
2.10. Процессы испарения из жидких сплавов ................................................... 71
2.10.1. Термодинамика испарения ...................................................................... 72
2.10.2. Условия разделения металлов при испарении ....................................... 72
2.10.3. Кинетические особенности испарения……………………………………….75
2.10.4. Особенности конденсации пара .............................................................. 76
Глава 3
ГИДРОДИНАМИКА И ЭНЕРГОМАССООБМЕН В ТКМ...................................... 77
3.1. Уравнения энергомассопереноса ................................................................ 77
3.2. Гидродинамика и тепломассообмен при заполнении литейных форм
жидким металлом................................................................................................ 81
3.2.1. Общий анализ проблемы .......................................................................... 81
3.2.2. Зона охлаждения (рис. 3.3, а) .................................................................... 84
3.2.3. Зона затвердевания (рис. 3.3, б) ............................................................... 87
3.3. Диффузионный массоперенос при диссоциации оксидов, карбонатов
и других соединений ........................................................................................... 95
3.4. Диффузионный массоперенос при высокотемпературном окислении
твердых металлов............................................................................................... 98
3.5. Кристаллизационное рафинирование металлов ....................................... 101
3.5.1. Нормальная направленная кристаллизация ........................................... 102
3.5.2. Зонная плавка ......................................................................................... 107
3.5.3. Вытягивание монокристаллов из расплава............................................. 109
3.6. Массоперенос паяемого металла в расплавленном припое ..................... 110
3.7. Массоперенос при диффузионной сварке ................................................. 112
3.8. Другие задачи гидродинамики и массообмена в ТКМ………………………..113
Глава 4
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТКМ ................................................. 117
4.1. Общие сведения о термодинамике электрохимических процессов
117
4.2. Общие сведения о кинетике электрохимических процессов ..................... 121
4.3. Электролитическое получение алюминия и магния .................................. 132
4.3.1. Электрохимические процессы при производстве алюминия .................. 132
4.3.2. Электрохимические процессы при производстве магния ....................... 135
4.4. Электролитическое рафинирование металлов.......................................... 137
4.4.1. Сущность процесса электролитического рафинирования ...................... 137
4.4.2. Электролитическое рафинирование алюминия ...................................... 138
4.4.3. Электролитическое рафинирование меди .............................................. 141
4.5. Нанесение гальванических покрытий ........................................................ 143
4.6. Электрохимическая размерная обработка…………………………………….145
Глава 5
ПРОЦЕССЫ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ............................ 147
5.1. Основы общей теории кристаллизации ..................................................... 147
5.1.1. Термодинамика кристаллизации ............. ... ............................................ 147
5.1.2. Самопроизвольное зарождение кристаллов в жидкости
(гомогенное зародышеобразование) ................................................................ 148
5.1.3. Рост кристаллов ...................................................................................... 153
5.1.4. Влияние примесей металла на кристаллизацию .................................... 155
5.1.5. Кинетика объемной кристаллизации ....................................................... 157
5.2. Концентрационное переохлаждение, ячеистая и дендритная
Кристаллизация………………………………………………………………………….161
5.3. Кристаллизация отливок и слитков ............................................................ 167
5.4. Макроликвация в отливках и слитках......................................................... 174
5.5. Кристаллизация сварных швов .................................................................. 177
Глава 6
УСАДОЧНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ТКМ ........................... .......................................... 184
6.1. Объемная усадка ....................................................................................... 184
6.2. Объемная усадка чистых металлов и сплавов с
узким температурным интервалом кристаллизации.. ......... ............................ 186
6.3. Объемная усадка сплавов с широким температурным интервалом
кристаллизации................................................................................................. 188
6.4. Газовая и газоусадочная пористость…………………………………………...190
6.5. Линейная усадка ........................................................................................ 192
Глава 7
АДГЕЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТКМ............................................................... 194
7.1. Физико-химическая сущность адгезии ...................................................... 194
7.1.1. Понятия об адгезии, аутогезии, когезии .................................................. 194
7.1.2. Свободная поверхностная энергия и поверхностное натяжение............ 194
7.1.3. Природа сил адгезии ............................................................................... 197
7.1.4. Работа адгезии и поверхностное натяжение .......................................... 202
7.2. Адгезия жидкости и смачивание ............................................................... 205
7.2.1. Общая характеристика адгезии жидкости ............................................... 205
7.2.2. Взаимосвязь между характеристиками смачивания ............................... 206
7.3. Адгезия пузырьков газа ............................................................................. 208
7.4. Адгезия пленок, покрытий, частиц порошков ............................................ 210
7.4.1. Особенности адгезии пленок и покрытий ................................................ 210
7.4.2. Адгезия и адгезионная прочность покрытия ........................................... 211
7.4.3. Адгезия частиц и порошков ..................................................................... 213
7.5. Адгезия пузырьков газа к твердым частицам во флотационных
процессах ......................................................................................................... 214
7.6. Адгезия при склеивании ............................................................................ 217
7.7. Адгезия при сварке и пайке....................................................................... 219
7.8. Адгезия при газотермическом нанесении покрытий из макрочастиц.....…223
Глава 8
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ГАЗОТЕРМИЧЕСКОМ
НАНЕСЕНИИ ПОКРЫТИЙ ИЗ МИКРОЧАСТИЦ............................................... 228
8.1. Общая характеристика методов газотермического нанесения покрытий
из микрочастиц.................................................................................................. 228
8.2. Методы получения микрочастиц для газотермического напыления ........ 228
8.3. Транспортировка частиц на поверхность основы ..................................... 231
8.4. Формирование покрытий........................................................................... 235
8.4.1. Конденсация (адсорбция) частиц ............................................................ 235
8.4.2. Образование зародышей покрытия......................................................... 238
8.4.3. Рост островков ........................................................................................ 247
8.4.4. Рост сплошного покрытия ....................................................................... 254
Глава 9
УПРУГОПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ В ТКМ ................. 256
9.1. Общий анализ процесса деформирования твердого тела ....................... 256
9.2. Физические основы упругопластических деформаций .. .......................... 263
9.2.1. Деформация бездефектного монокристалла .......................................... 263
9.2.2. Механизм ПД реальных кристаллических тел ........ .............................. 268
9.2.3. Холодная деформация металлов и их упрочнение (наклеп) .................. 273
9.2.4. Деформация металлов при высоких температурах.
Возврат, рекристаллизация .............................................................................. 275
9.2.5. Особенности ПД кристаллических тел с ионной структурой ................... 278
9.2.6. Вязкое течение твердых тел. Ползучесть ............................................... 279
9.3. Механика упругопластических деформаций ...................... ...................... 283
9.3.1. Основы теории напряжений и деформаций ............................................ 283
9.3.2. Основные соотношения теории упругости .............................................. 303
9.3.3. Основные положения теории пластичности............................................ 306
9.3.4. Элементы механики ползучести.............................................................. 312
9.3.5. Граничные и начальные условия ............................................................ 313
9.3.6. Формулировка задачи расчета напряжений и деформаций
твердого тела .................................................................................................... 314
9.4. Инженерные методы решения задач теории обработки металлов
Давлением………………………………………………………………………………...316
9.4.1. Основные задачи расчета ....................................................................... 316
9.4.2. Метод линий скольжения (линий сеток) .................................................. 318
9.4.3. Метод совместного решения приближенных уравнений
равновесия и пластичности……………………………………………………………320
9.5. Сверхпластичность. Деформирование материалов в условиях
сверхпластичности……………………………………………………………………..321
9.6. Расчет напряжений и деформаций при сварке.......................................... 326
9.7. Напряжения и деформации при пайке ....................................................... 332
9.8. Напряжения и деформации при литье....................................................... 334
Глава 10
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СПЕКАНИИ ИЗДЕЛИЙ
ИЗ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ................................................................. 337
10.1. Избыточная свободная поверхностная энергия как основная движущая
сила процесса спекания. Уравнение Лапласа .................................................. 337
10.2. Твердофазное спекание........................................................................... 339
10.2.1. Движущие силы спекания ...................................................................... 339
10.2.2. Механизмы массопереноса при спекании ............................................. 342
10.2.3. Стадии процесса спекания .................................................................... 354
10.2.4. Уплотнение порошкового тела при спекании ........................................ 355
10.2.5. Особенности спекания многокомпонентных систем.............................. 360
10.3. Жидкофазное спекание ............................................................................ 361
10.4. Горячее прессование…………………………………………………………….363
Глава 11
МЕХАНИЧЕСКОЕ РАЗРУШЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ В ТКМ................................ 365
11.1. Теоретическая прочность материалов ..................................................... 365
11.2. Хрупкое и вязкое разрушение .................................................................. 367
11.3. Пластическая деформация и виды трещин ............................................. 370
11.4. Виды разрушения ..................................................................................... 373
11.5. Дислокационные механизмы образования микротрещин и разрушения
при ПД ............................................................................................................... 374
11.6. Элементы механики разрушения ............................................................. 378
11.7. Критерии разрушения .............................................................................. 380
11.8. Разрушение материалов в разделительных процессах ОМД.................. 383
11.9. Разрушение материалов при обработке резанием .................................. 385
11.10. Образование трещин и разрушение материалов при литье .................. 387
11.11. Образование трещин и разрушение сварных конструкций . 389
Приложение………………………………………………………………………………393
Изменение энергии Гиббса для реакций образования соединений
из компонентов в стандартных состояниях [14] ................................................ 393
Литература ............................................. .......................................................... 396