Учебно-практическое пособие по дисциплине для организации самостоятельной работы - shikardos.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Практикум для самостоятельной работы студентов по дисциплине "Информатика"... 1 73.35kb.
Учебно-методическое пособие для самостоятельной работы студентов... 2 707.45kb.
Учебно-методическое пособие для аудиторной и самостоятельной работы... 3 746.26kb.
Учебно-методическое пособие для семинарских занятий, самостоятельной... 2 477.03kb.
Кафедра общей гигиены Н. Л. Бацукова, Т. С. Борисова 2 448.15kb.
Учебно-методическое пособие по самостоятельной работе для студентов... 8 830.06kb.
Методические рекомендации для самостоятельной работы, общую и дополнительную... 3 1893.38kb.
Учебно-методический комплекс по дисциплине «Aнглийский язык» для... 2 393.85kb.
Правовая статистика 3 571.77kb.
Учебное пособие по истории искусства и мировой художественной культуры. 1 504.83kb.
Методическое пособие для самостоятельной работы студентов специальности... 4 1128.38kb.
Метрологии и сертификации общероссийский классификатор продукции 68 22285.18kb.
- 4 1234.94kb.
Учебно-практическое пособие по дисциплине для организации самостоятельной работы - страница №1/4

Министерство образования и науки Российской Федерации

Бузулукский гуманитарно - технологический институт

(филиал) федерального государственного бюджетного образовательного

учреждения высшего профессионального образования


«Оренбургский государственный университет»

Кафедра общей инженерии



Н. Ф. Тарасенко


МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Учебно-практическое пособие по дисциплине

для организации самостоятельной работы

Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом БГТИ

(филиала)федерального государственного бюджетного образовательного

учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский

государственный университет» в качестве учебно-практического пособиядля

организации самостоятельной работы для студентов по направлению подготовки 190600.62 - Эксплуатация транспортно – технологических машин и комплексов


Бузулук


БГТИ (филиал) ОГУ

2012


УДК 669.017

ББК 34.651

Б73
Рецензенты: главный инженер ОАО «Бузулуктяжмаш» Седых А.Я,

доцент кафедры общей инженерии, к.т.н. Фролова Е.В.




Тарасенко, Н.Ф.

Б73 Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебно-практическое пособие по дисциплинедля организации самостоятельной работы / Н.Ф. Тарасенко; Бузулукский государственный технологический институт (филиал) ОГУ, 2012 г. - 121 с.

Данное учебно-практическое пособие разработано в соответствии с государственным образовательным стандартом по направлению подготовки 190600.62 - Эксплуатация транспортно – технологических машин и комплексов, рабочей программой дисциплины «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» и предназначено для оказания помощи студентам очной и заочной форм обучения в процессе их самостоятельной работы. Представленное учебно-практическое пособие содержит материал, являющийся фундаментом изучаемого курса дисциплины. Наглядность и удачно подобранные примеры позволяют самостоятельно усвоить и повторить программу курса «Материаловедение. Технология конструкционных материалов».

В учебно-практическом пособии даны краткие теоретические сведения по основным разделам курса, рассмотрены вопросы, вызывающие у студентов наибольшие затруднения при самостоятельном изучении. Приведены варианты заданий и дан алгоритм их решения. Требования к выполнению контрольной работы представлены в виде решения одного из вариантов задач.


УДК 669.017

ББК 34.651


©Тарасенко Н.Ф., 2012

©БГТИ (филиал) ОГУ, 2012

Содержание


Введение………………………………………………………………………………

5

Методические указания по программе дисциплины………………………………

6

1 Строение и свойства металлов и сплавов……………………………………….

7

1.1Кристаллизация и структура металлов и сплавов………………………………

8

1.2Механические свойства и конструктивная прочность.Деформация иразрушение…………………………………………………………………………….……

10


1.3Поведениеметаллов в различных условияхвнешних воздействий…………...

11

2Основные сведения из теории сплавов…………………………………………..

12

2.1Классссссификация и структура сплавов……………………………………….

13

2.2Диаграммы состояния двойных систем………………………………………...

13

3Железоуглеродистые сплавы………………………………………………………

15

3.1Диаграмма состояния «железо-цементит»……………………………………...

15

3.2Чугуны……………………………………………………………………………..

18

3.3Классификация сталей. Углеродистые стали. …………………………………

19

3.4 Влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали……………..

20

3.5Легированные стали……………………………………………………………….

22

3.6Основы рационального выбора материалов в машиностроении……………….

25

4 Термическая и химико-термическая обработка сталей…………………………

26

4.1Теория и практика термической обработки стали………………………………

27

4.2Основы химико-термической обработки сталей и сплавов…………………….

32

5 Инструментальные материалы…………………………………………………...

34

6 Цветные металлы и сплавы………………………………………………………..

34

7Неметаллические и композиционные конструкционные материалы…………...

36

8Основы металлургического производства……………………………………….

40

8.Основы теплофизики металлургического производства………………………..

40

8.2Производство чугуна……………………………………………………………...

41

8.3Производство стали……………………………………………………………...

43

8.4Производствоцветных металлов…………….......................................................

45

8.5Безотходные и ресурсосберегающие технологии в металлургическом производстве……………………………………………………………………………...

46


9Основы получения металлических заготовок. Основы литейного производства

47


10Основы обработки металлов пластическим деформированием………………..

11 Основы сварочного производства………………………………………………..

12 Технология композиционных и неметаллических конструкционных материалов………………………………………………………………………………….

13Основы формообразования поверхностей деталей……………………………...

13.1Обработка металлов резанием…………………………………………………..

13.2Кинематические и геометрические параметры процесса резания. Физико-химические основы процесса резания………………………………………………

13.3Электрофизические и электрохимические методы обработки поверхностей заготовок………………………………………………………………………………

Общая схема выполнения контрольных работ……………………………………..



50

54
59

60

60
61


63

65


Задания к контрольной работе……………………………………………………….

65

Список использованных источников……………………………………………….

96

ПриложениеАПример оформления титульного листа……………………………

98

Приложение БПримеры решения задач…………………………………………

ПриложениеВ Пример разработки технологическогопроцесса………………



99

108




Введение
Дисциплина «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» является дисциплиной базовой части (учебного цикла – Б3)профессионального цикла при подготовке бакалавров по направлению подготовки 190600.62 - Эксплуатация транспортно – технологических машин и комплексов и базируется на таких дисциплинах Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования, как физика, химия, математика, инженерная графика и других.

Дисциплина состоит из двух частей, структурно и методически согласованных между собой, что позволяет студентам не только познать природу машиностроительных материалов, но и изучить их свойства в зависимости от химического состава, структуры и последующих обработок. Весьма важным можно считать ознакомление с традиционными и новыми технологическими процессами получения металлических и неметаллических материалов, а также технологиями получения заготовок и готовых изделий.

Учебный материал необходимо рассмотреть в последовательности, в которой он изложен в учебно-практическом пособии. Перед изучением каждой темы внимательно прочитайте данные рекомендации. Затем, используя предложенную литературу, проработайте учебный материал с обязательным составлением конспекта. После изучения каждой темы ответьте на вопросы для самопроверки.

Контрольная работа предполагает самостоятельную разработку студентами маршрутной технологии изготовления конкретного изделия с учетом всех возможных переделов металлургического производства.



Методические указания по программе дисциплины
Приступая к изучению курса, необходимо уяснить роль металлургического и машиностроительного производства в создании материально-технической базы страны и ознакомиться с направлениями технического прогресса этих отраслей промышленности.

После изучения курса студент должен знать основные виды конструкционных материалов, способы их производства, а также технологические процессы формообразования изделий и деталей из конструкционных материалов.

Конструкционными называют материалы, применяемые для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. Понятие «конструкционные материалы» включает в себя черные и цветные металлы, подразумевает большой ассортимент неметаллических материалов, таких как пластические массы, резиновые материалы, а также силикатные стекла, ситаллы и керамика. В особую группу конструкционных материалов выделяют композиционные материалы, материалы и изделия порошковой металлургии. Конструкционные материалы должны отвечать определенным требованиям с учетом их механических, физико-химических,технологических и эксплуатационных свойств.

Особое внимание при изучении курса следует уделить возможностям получения одного вида продукции различными способами получения и умению провести технико-экономическое сравнение этих способов.


Вопросы для самопроверки
1. Какие металлы и сплавы относятся к цветным?

2. Какие металлы и сплавы относятся к черным?

3. Перечислите основные группы неметаллических конструкционных материалов.

Материаловедение
Материаловедение - наука о материалах, изучающая связь между составом, строением и свойствами металлических и неметаллических материалов, закономерности их изменения при механическом, тепловом и других видах химических воздействий. Она создает научную основу получения разнообразных по составу материалов с заданными свойствами. Как всякая наука, материаловедение представляет собой совокупность знаний, полученных расчетным и экспериментальным путем, и в своей основе базируется на соответствующих разделах физики, химии и математики. Основное внимание в материаловедении уделяется металлическим материалам, т.к. сегодня металлы и их сплавы являются самым обширным и универсальным по применению классом материалов. Центральное место среди них занимают две группы сплавов железа с углеродом - стали и чугуны.

В тоже время, в последние годы значительное внимание уделяется разработке неметаллических композиционных материалов, где достигнут несомненный успех и что является одним из важнейших направлений развития современного материаловедения.


1 Строение и свойства металлических материалов
Прежде чем начать изучать эту главу, необходимо понять, что в природе существует две разновидности твердых тел, различающихся по своим свойствам - кристаллические и аморфные.

Кристаллические телаостаются твердыми до вполне определенной температуры, при которой они переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении. Так, у чистых металлов, переход из одного состояния в другое протекает при ограниченной, всегда постоянной температуре плавления.

Аморфные телапри нагревании размягчаются в большом температурном интервале, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении, но часто с изменением свойств самого материала.

Уясните для себя, что кристаллическое состояние твердого тела более стабильно, чем аморфное и это обусловлено упорядоченным, геометрически правильным расположением в пространстве частиц, из которых они состоят (ионов, атомов, молекул).


1.1 Кристаллизация и структура металлов и сплавов
Атомно-кристаллическое строение металлов и металлических сплавов, а также наличие в них металлической связи, определяют их специфический комплекс свойств. Высокая электропроводность и теплопроводность, пластичность, способность испускать электроны при различных возбуждающих воздействиях и другие свойства связывают с наличием свободных коллективизированных электронов в высокосимметричной решетке объемно-центрированного куба (ОЦК) и гранецентрированного куба (ГЦК).

При изучении этой темы особое внимание следует обратить на реальное строение металлов и дефекты, встречающиеся в металлах и сплавах (точечные, линейные, плоские, объемные).

Обратите внимание на такие понятия, как диффузия и анизотропия. Определите, от каких факторов зависят эти свойства. По схемам, приведенным в учебной литературе, разберитесь с кристаллографическими индексами плоскостей и направлений в кристаллических телах (индексы Миллера).

Движущей силой процесса кристаллизации является разница свободных энергий жидкой и твердой фаз, возникающая при переохлаждении расплава ниже равновесной температуры кристаллизации. Конечная структура затвердевшего сплава определяется условиями кристаллизации, а именно: степенью переохлаждения, скоростью охлаждения, присутствием нерастворимых, тугоплавких частиц, являющихся дополнительными центрами кристаллизации. Каждое зерно, образующееся в результате кристаллизации, представляет собой дендритный кристалл, химический состав которого изменяется от центра к периферии.

Зарисуйте и разберите строение металлического слитка в зависимости от условий кристаллизации.

Большое количество металлов способно перестраивать тип своей кристаллической решетки при достижении определенных температур. При каждой данной температуре равновесным будет тот тип решетки, который имеет наименьшую свободную энергию. Такое явление носит название полиморфизма или аллотропии. Перестройка одного типа решетки металла в другой при полиморфном превращении может происходить по двум механизмам: за счет диффузионного перераспределения атомов (нормальный) и за счет кооперативного сдвига атомов при мартенситном превращении.


Вопросы для самопроверки
1. Перечислите основные признаки, характеризующие металлическое состояние вещества?

2. Какие дефекты кристаллического строения Вы знаете?

3. Как записываются индексы Миллера?

4. Нарисуйте элементарные ячейки ГЦК и ОЦС, определите плотность упаковки и координационные числа. Какие металлы имеют ГЦК и ОЦК решетки (приведите пример)?

5. Что понимают под самодиффузией и гетеродиффузией?

6. Что такое равновесная температура кристаллизации?

7. Какова физическая природа кристаллизации? Какие виды кристаллизации вы знаете?

8. Чем определяется конечная структура сплава при кристаллизации?

9. Что такое дендрит?

10. Что такое ликвация?

11. Что такое модификация?

12. Что такое полиморфизм?

13. Что является главным условием протекания полиморфного превращения?

14. Какую кристаллическую решетку имеют: α-Fe, γ-Fe, α-Ti, β-Ti,α-Co?


1.2 Механические свойства и конструктивная прочность. Деформация и разрушение
Данная глава должна дать понимание показателей механических свойств материалов и методов их оценки. Важным здесь следует считать, что механические свойства характеризуют сопротивление материала деформации, разрушению или особенностям его поведения в процессе разрушения. Эта группа свойств включает показатели прочности, пластичности, твердости, вязкости и упругости. Основную группу таких показателей составляют стандартные характеристики механических свойств, которые определяют в лабораторных условиях на образцах стандартных размерах.

При испытании стандартных образцов на растяжение можно определить такие механические характеристики, как σв, σт,δ и ψ, необходимые при расчетах на прочность конструкций, деталей и узлов машин и механизмов. Очень важно понять, что все эти характеристики определяются структурой сплава, его способностью к пластическому деформированию. Поскольку процесс пластической деформации протекает путем образования и перемещения дефектов типа дислокаций, то большое значение имеет то, насколько легко могут эти дислокаций перемещаться в пределах зерна. Кроме определяемых по кривой «напряжение - деформация» таких свойств, как σв, σт,δ,ψ и еще ряд свойств (ударная вязкость, сопротивление усталости и др.) определяются в условиях динамического нагружения. Оценка стандартных механических свойств сопровождаетсяразрушением специальных образцов и не позволяет изучить прочностные свойства конкретных деталей на конечном этапе изготовления. В этом смысле важное значение имеют неразрушающие методы оценки прочностных свойств. К ним относят различные способы измерения твердости, которые прямо или косвенно характеризуют механические свойства материалов. По сути дела измерение твердости можно рассматривать как местные механические испытания поверхностных слоев металлов, При этом следует понимать, что если структура металла по сечению равномерна, то поверхностные измерения могут характеризовать свойства всей детали в целом. При изучении этого вопроса следует обратить особое внимание на движение и взаимодействие дислокации, связь этих процессов с упрочнением. Разрушение необходимо рассматривать как двухстадийный процесс зарождения и распространения трещины, а конструктивную прочность - как комплекс свойств материала. Следует установить связь прочностных и пластических характеристик со структурным состоянием материала. Необходимо разобраться, что понимают под хрупким и вязким разрушением.


Вопросы для самопроверки
1. Дайте определение временного сопротивления, предела текучести, ударной вязкости, относительного удлинения и сужения.

2. Чем различаются между собой упругая и пластическая деформации? Дайте их определение.

3. Назовите основные схемы нагружения.

4. Как определяют твердость по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу?

5. В чем разница в механизмах хрупкого и вязкого разрушения?
1.3 Поведение материалов в различных условиях внешних воздействий
В процессе холодной пластической деформации происходят следующие изменения в микроструктуре: зерно деформируется, дробится на блоки, плотность дислокаций возрастает. Дислокации, пересекаясь между собой и выстраиваясь в «стенки», образуют устойчивые искажения кристаллической решетки, что приводит к торможению движения вновь образующихся дислокаций. В результате возрастают напряжения скольжения, вызывающие пластическую деформацию, т.е. возникает явление деформационного наклепа. При этом состояние металла неустойчиво, свободная энергия повышена по отношению к стабильному состоянию.

Если холодная деформация имеет определенную направленность (прокатка, волочение и т.п.), то часто возникает ориентировка определенных кристаллографических плоскостей и направлений относительно направления прокатки - текстуры. Нагрев холоднодеформированного металла приводит к снижению уровня его свободной энергии за счет снижений внутренних напряжений I и II рода в процессе возврата и рекристаллизации. При этом происходит фазовая перекристаллизация, и в зависимости от степени деформации и температуры формируется новое зерно соответствующего размера и формы. В результате изменяется комплекс механических свойств холоднодеформированного металла.


Вопросы для самопроверки
1. Что такое наклеп?

2. Что такое текстура?

3. Чему равна температура рекристаллизации для чистых металлов и для сплавов?

4. Какие процессы происходят в деформированных сталях с увеличением температуры?


2 Основные сведения из теории сплавов
Необходимо понимать, что применение чистых металлов в промышленности крайне ограниченно. Их использование не всегда экономически выгодно, а часто и не оправдано, т.к. они не могут обеспечить требуемый комплекс свойств. В этом смысле наиболее перспективны сплавы, которые позволяют реализовать как любое достижимое свойство, так и целую группу требуемых свойств.

2.1Классификация и структура сплавов
При рассмотрении этой главы следует усвоить следующие понятия: «компонент», «фаза», «структурная составляющая». В процессе образования сплавов компоненты вступают между собой во взаимодействия различного вида, зависящие от их природы и количественного соотношения. Необходимо, прежде всего, усвоить два противоположных вида взаимодействий: твердые растворы и химические соединения. Остальные фазы, встречающиеся в сплавах, являются промежуточными, так как имеютсвойства, характерные как для твердых растворов, так и для химических соединений. Следует также усвоить, что структура - это форма существования фазовых составляющих. Одна и та же фаза может входить в состав механической смеси и существовать в виде самостоятельных формирований.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое твердый раствор? Назовите его свойства?

2. Охарактеризуйте виды твердых растворов?

3. Какими условиями определяется образование твердых растворов различного типа?

4. Назовите свойства химических соединений?


2.2 Диаграммы состояния двойных систем
Следует четко определять понятия: «термодинамическая система», «свободная энергия системы», «компонент», «фаза», «термодинамическое равновесие системы». Особое внимание уделите разбору правила фаз и рассчитайте число степеней свободы при кристаллизации чистого металла и двухкомпонентного сплава.

Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллизация) совершается в условиях, когда система переходит в термодинамически более устойчивое состояние с меньшей свободной энергией. Для этого перехода необходимо наличие разницы в свободных энергиях твердой и жидкой фаз, причем энергия твердой фазы должна иметь более низкое значение. Процесс кристаллизации начинается с образования зародышей твердой фазы и продолжается в процессе роста их числа и размеров. Для описания кристаллизации чистого металла достаточным является построение термической кривой. При кристаллизации двухкомпонентных сплавов в равновесном состоянии используются диаграммы состояния, которые в удобной графической форме позволяют судить об их фазовом составе в любой точке диаграммы. Оценка количества фаз в двухфазной области производится в соответствии с правилом отрезков (рычага).

При изучении диаграмм состояния следует усвоить основные их типы: диаграмма с образованием механической смеси компонентов; с неограниченной растворимостью компонентов; эвтектического типа; перитектического типа; с образованием химического соединения; с полиморфным превращением.

В реальных диаграммах состояния следует научиться находить основные типы превращений.

Весьма важным следует считать изучение диаграмм «состав-свойство» (правило Курнакова Н.С.), которое составляет основу физико-химического анализа сплавов. Поймите физический смысл изменения таких свойств, как пластичность, жидкотекучесть, электросопротивление и др. в зависимости от типа фаз в концентрационном интервале существования двухкомпонентной системы.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое диаграмма состояния (фазового равновесия)? Какие методы ее построения Вы знаете?

2. Перечислите основные типы диаграммы состояния?

3. В чем заключается суть эвтектического (перитектического) превращения?

4. Как определить фазовый состав сплава при заданной температуре?

5. Как определяется соотношение количества фаз в сплаве при заданной температуре?

6. Почему твердые растворы обладают высокой пластичностью?

7. Почему литейные свойства выше у сплавов по составу близких к эвтектическому?

8. Какие сплавы обладают повышенной обрабатываемостью резанием?
3 Железоуглеродистые сплавы
Сплавы железа с углеродом представляют самую многочисленную группу конструкционных материалов. При их изучении существенную помощь оказывает диаграмма «железо - углерод» в метастабильном и стабильном вариантах. Чтобы разобраться в сути превращений, протекающих в этой системе, следует усвоить характеристики ее компонентов и обратиться к предыдущему разделу, в котором приводятся основные типы диаграмм состояния, часть которых входит в состав диаграммы «железо - углерод».

В метастабильном состоянии свободный углерод связан в виде цементита (химическое соединение Fe3C) и поэтому диаграмма рассматривается как «железо - цементит».

Стабильное равновесие рассматривается при выделении свободного углерода в виде стабильной фазы графита, и диаграмма преобразуется в систему «железо - графит».

Рассмотрите оба типа диаграмм, определите отличия и особенности кристаллизации.


3.1 Диаграмма состояния «железо - цементит»
Перед началом изучения диаграммы «железо - цементит» необходимо повторить аллотропические (полиморфные) превращения в железе. Рассмотрение диаграммы следует начать с анализа всех превращений, протекающих в железоуглеродистых сплавах при медленном охлаждении и получающиеся при этом структуры, особенно превращения в твердом состоянии.

Запомните, что в результате вторичной кристаллизации по линии GS при охлаждений начинается превращение аустенита в феррит вследствие аллотропического превращения γ-железа в α-железо. Так как в феррите максимально растворяется 0,04 % углерода (точка Р), то в аустените количество углерода все время увеличивается. Каждая точка линии GS показывает содержание углерода в аустените при данной температуре. Критические точки, образующие линию GS принято обозначать при нагреве Ас3, а при охлаждении – Аг3. По линии ES при охлаждении из аустенита начинает выделяться, вторичный цементит вследствие уменьшениярастворимости углерода в аустенит при понижении температуры. Цементит содержит 6,67 % углерода, поэтому в остающемся аустените количество углерода уменьшается. Каждая точка линии ES показывает содержание углерода в аустените при данной температуре (правило отрезков). Критические точки, образующие линию ES принято обозначать Acm. На линии PSK происходит окончательный распад аустенита по реакции Feγ(c)→Feα(c)+F3C образованием структуры перлита во всех сплавах системы. Из аустенита образуется механическая смесь фаз пластинчатой морфологии, состоящая из феррита и цементита третичного-эвтектоид, так как в равновесном состоянии γ-железо при температурах ниже 727°С существовать не может, α-железо практически углерод не растворяет (точка Р). При температуре 727°С во всех сплавах содержится в аустените 0,8% С (точка S, куда сходятся линии GS и ES), значит состав перлита также постоянен и содержит 0,8% углерода. Критические точки, образующие линию PSK, при нагреве обозначают Ас1, а при охлаждении Аг1.

В заэвтектоидных сталях ниже линии ES предельная концентрация углерода в аустените снижается, что инициирует выход атомов углерода из решетки аустенита с образованием цементита вторичного. Механическая смесь фаз аустенита и цементита вторичного называется ледебурит.

Необходимо отметить, что температура, при которой из аустенита начинает выделяться феррит или цементит (линии GS и ES), зависит от состава сплава, а превращение аустенита в перлит происходит во всех сплавах при одной и той же температуре (727°С). Нужно знать, что в простых углеродистых сплавах в равновесном состоянии при температуре ниже 727°С аустенит существовать не может, он распадается на перлит (эвтектоидную смесь феррита и цементита третичного). Равновесными структурами железоуглеродистых сплавов являются: аустенит, феррит, перлит, цементит, ледебурит. Запомните разницу между эвтектикой и эвтектоидом: то и другое представляет собой механическую смесь фаз, но эвтектика -продукт первичной кристаллизации, она получается при одновременной кристаллизации двух или нескольких фаз из жидкого раствора, а эвтектоид - продукт вторичной кристаллизации, он образуется при распаде твердого раствора. И эвтектика, и эвтектоид образуются в том случае, если вещества друг в друге не растворяются в твердом состоянии. Хорошо разберитесь в процессах, протекающих при нагревании и охлаждении сплавов с различной концентрацией углерода. Особое внимание обратите на критические точки, в которых происходит вторичная кристаллизация, и на получающиеся структуры.

Изучая часть диаграммы с образованием чугуна, уясните для себя, какие чугуны называются белыми, а какие - серыми. Содержание углерода в них может быть одинаковым, однако состояние углерода - различно. В серых чугунах углерод находится в свободном состоянии в виде графита и имеет форму пластинок. Металлическая основа может быть перлитной или ферритной.
Вопросы для самопроверки
1. Какие превращения происходят в сплавах железо - цементит по линиям GS и ES?

2. При какой температуре происходит образование перлита?

3. Укажите, что из себя представляют все структуры в железоуглеродистых сплавах?

4. Сколько углерода растворяется в аустените при 1147°С и при 727°С?

5. Назовите линии первичной кристаллизации на диаграмме железо-цементит?

6. Назовите структуры до- и заэвтектических серых чугунов?



3.2 Чугуны
В отличие от сталей, чугун широко применяется как конструкционный материал для изготовления фасонных отливок, так как обладает хорошими литейными свойствами.

Разбирая механические свойства чугунов с графитом, обратите внимание на форму графитовых включений и их количество, так как от этого зависит прочность чугуна.

Графит в меньшей степени снижает пластичность и вязкость металлической основы чугуна, если не имеет форму в виде пластин. Изменение формы графита из пластинчатой на хлопьеобразную или спиралеподобную может быть получено при отжиге белых чугунов (ковкие чугуны) и в высокопрочных чугунах в результате модифицирования. Надо знать способы получения ковких чугунов. Следует иметь в виду, что ковкие чугуны, несмотря на их название, ковать нельзя.

В высокопрочных чугунах, модифицированных магнием, графит имеет шарообразную форму, что еще больше увеличивает прочность и пластичность. Высокопрочные чугуны могут выдерживать и некоторые ударные нагрузки. Уясните сущность модифицирования чугунов.

Нужно знать, что металлическая основа у серых, ковких и высокопрочных чугунов может быть одинаковая - перлитная или ферритная.

Обязательно нужно знать маркировку чугунов по ГОСТу. В отличие от стали чугуны маркируются не по содержанию углерода, а по механическим свойствам, так как при одинаковом содержании углерода они могут иметь разные свойства.


Вопросы для самопроверки
1. В каком состоянии находится углерод в белых и серых чугунах?

2. Как влияют основные примеси на свойства чугунов?

3. Укажите способы упрочнения серых чугунов?

4. Как получают ковкий чугун?

5. Какова форма графита в модифицированных чугунах?

6. Как маркируются серые, ковкие и высокопрочные чугуны?


3.3 Классификация сталей. Углеродистые стали
Изучение этого раздела начните с рассмотрения общих признаков классификации сталей и особенностей их буквенно-цифровой маркировки. Научитесь правильно читать марку стали или сплава в соответствии с написанной маркировкой, и, наоборот, писать маркировку по предложенному химическому составу.

Разберите маркировки углеродистых сталей в соответствии с качеством и назначением по ГОСТу. Изучите влияние углерода и основных примесей на свойства углеродистой стали. Запомните, что вредное влияние фосфора проявляется при эксплуатации стальных деталей, сера же главным образом затрудняет горячую обработку давлением. На работу деталей она практически не влияет, так как детали из углеродистых сталей при высоких температурах не работают. Основное внимание обратите на требования к конструкционным и инструментальным сталям. Запомните, что в конструкционных сталях содержание углерода не превышает 0,65%, так как при большем содержании углерода детали становятся хрупкими. В инструментальных сталях, наоборот, содержание углерода должно быть выше 0,7%, так как инструмент в первую очередь должен быть твердым (кроме штампов, деформирующих металл в горячем состоянии).


Вопросы для самопроверки
1. Как влияет углерод на свойства сталей?

2. Почему практически не применяются стали, в которых углерода более 1,35%?

3. Как влияют основные постоянные примеси на свойства стали?

4. Как влияют фосфор и сера на свойства стали?

5. Какая разница в свойствах при одинаковом содержании углерода между сталью обыкновенного качества, качественной и высококачественной?

6. Какая сталь называется автоматной? Область ее применения?

7. Расшифруйте марки сталей: ВСт4кп, 60, У12А. Укажите область их применения?
3.4 Влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали
Легированной называют сталь, в состав которой с целью изменения структуры и свойств введены специальные легирующие элементы, Легированные стали имеют ряд существенных преимуществ перед углеродистыми. Они имеют более высокие механические свойства и обеспечивают сочетание ряда других специальных свойств (жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, коррозионную стойкость и др.), что позволяет называть этот класс материалов специальными сталями и сплавами.

Одной из основных задач материаловедения является разработка металлических материалов, применение которых позволит уменьшить габариты и металлоемкость машин и оборудования, снизить их стоимость, В этом смысле большое значение имеет применение легированных сталей и сплавов.

Добавка к углеродистой стали даже небольшого количества (до 1-2%) недорогих легирующих элементов (кремния, марганца и некоторых других)незначительно удорожает эту сталь, но позволяет уменьшить размеры, увеличить долговечность и надежность деталей машин и инструмента, так как легированные стали обладают повышенной прочностью, что в конечном итоге снижает расход металла и дает экономический эффект.

Так как свойства сталей зависят от их внутреннего строения, то изучение этой темы нужно начинать с влияния легирующих элементов на структуру и свойства сталей.

Разберите, почему свойства легированных сталей отличаются от углеродистых при одном и том же содержании углерода. Начните с влияния легирующих элементов на положение критических точек и линий диаграммы железо-цементит. При небольшом содержании легирующих элементов (2 – 5%) критические линии диаграммы сдвинуты незначительно, поэтому структура низколегированных сталей, а значит, и их свойства в отожженном состоянии мало отличаются от свойств углеродистой стали. Все преимущества низколегированных сталей проявляются только после закалки, поэтому такие стали следует применять только для деталей, которые по условиям работы должны подвергаться упрочняющей термической обработке. При большом содержании легирующих элементов (10 – 15%) критические точки А1 и А3 значительно повышаются или понижаются, структуру таких сталей при комнатной температуре можно получить однофазной ферритной или аустенитной, а в ферритных сталях при повышенном содержании углерода наряду с ферритом могут быть и карбиды. Ферритные и аустенитные стали, как правило, обладают собственными ярко выраженными физико-химическими свойствами (нержавеющие, немагнитные и др.). Поскольку они однофазны, их нельзя упрочнять закалкой, они обычно упрочняются пластической деформацией (наклепом).

Процессы, протекающие при термической обработке легированных сталей те же, что и в углеродистых, но при назначении режима термической обработки необходимо учитывать ряд факторов. Легированные стали можно закаливать в масле, расплавленных солях и т.п.; у них меньше критическая скорость закалки (так как почти все легирующие элементы сдвигают кривые изотермического распада аустенита вправо). Это является их большим достоинством, так как при одинаковой прочности получается повышенная вязкость. Следует отчетливо понять, что чем меньше критическая скорость закалки, тем больше прокаливаемость стали, и при одной и той же скорости охлаждения, например в масле, будет больше глубина закаченного слоя. Поэтому у легированных сталей в значительно большем сечении можно получить равнопрочную одинаковую по строению структуру (раздел 6.2).

Необходимо знать классификацию легированных сталей и чугунов по различным признакам и их маркировку, уметь правильно определить по марке стали и чугуна их химический состав и примерное назначение.

Вопросы для самопроверки
1. Как влияют легирующиеэлементы на критические точки и линии диаграммы железо-цементит?

2. Как влияют легирующие элементы на механические свойства стали?

3. Как влияют легирующие элементы на мартенситную точку и какое это имеет практическое значение?

4. Какое практическое значение имеет возможность закаливания легированных сталей в масле?

5. Почему структура высоколегированных сталей может значительно отличаться от углеродистых?

6. Как влияет легирование стали на размеры и массу деталей машин и оборудования?


3.5 Легированные стали
Изучая конструкционные и инструментальные, стали, уясните цель легирования, преимущества легированных сталей перед углеродистыми. Основная цель легирования конструкционных сталей увеличение их прокаливаемое. Сталь должна обеспечить прокаливаемость в рабочем сечении детали, т.е. в том сечении, на которое действуют нагрузки. Обычно чем больше действующие нагрузки и чем больше сечение детали, тем более легирована сталь. Как правило, стали, содержащие до 0,25% углерода, подвергают цементации или нитроцементации с последующей закалкой и низким отпуском. Их так и называют - цементируемые. Их используют для деталей, которые работают с ударными нагрузками и подвергаются истиранию. Детали из сталей, содержащие 0,35-0,5% углерода, подвергающиеся действию больших нагрузок, подвергают улучшению, т.е. закалке и высокому отпуску. Называются они улучшаемые. Если такие детали подвергаются также истиранию, то им дается поверхностное упрочнение (чаще всего закалка токами высокой частоты или азотирование). Отметьте для себя, что азотированию подвергают специальный класс азотируемых сталей.

Стали содержащие 0,55-0,65% углерода, идут обычно на изготовление пружин и рессор. Их подвергают закалке и среднему отпуску или изотермической закалке. В зависимости от легирования рессорно-пружинные сталей могут быть общего и специального назначения. Особую группу по составу и маркировке занимают шарикоподшипниковые стали, для которых важным считается сопротивление малым пластическим деформациям.

Основное достоинство легированных инструментальных сталей -возможность их закалки в масле или расплавленных солях, так как при этомвозникают меньшие напряжения и коробления, меньшая хрупкость. Выбор инструментальных сталей делается с учетом термической обработки и в соответствии с областью их применения.

Инструмент из низколегированных сталей не может работать при большой скорости резания, так как при нагреве свыше 200-250°С резко падает твердость. Сохраняют твердость при нагреве до 500-600°С только быстрорежущие стали.

Нужно знать, что быстрорежущие стали маркируют по основному легирующему элементу вольфраму. Например, в марке Р18 цифра показывает его процентное содержание. Обратите внимание на особенности термической обработки быстрорежущих сталей. Если правильно провести термическую обработку, то во время работы твердость инструмента длительно сохраняется вплоть до температуры 600°С (красностойкость). Запомните, что после высокого отпуска твердость быстрорежущей стали повышается, так как в результате отпуска остаточный аустенит переходит в мартенсит. Для штамповых инструментов используют среднеуглеродистые легированные и высоколегированные стали с большой глубиной прокаливаемости. Причем, чем выше температура эксплуатации, тем выше степень легированности штамповых сталей. Особое место в классификации инструментальных материалов занимают твердые сплавы. Изучите основные виды литых твердых сплавов, их маркировку, свойства и область применения. Нужно знать преимущества применения твердых сплавов при обработке деталей и заготовок по сравнению с инструментальными сталями.

Изучая нержавеющие стали, нужно обращать внимание на содержание углерода и связывать их свойства со структурой. Однофазные сплавы значительно лучше сопротивляются коррозии, чем многофазные, поэтому, чем меньше в стали углерода, тем выше ее коррозионная стойкость. Внимательно разберите термическую обработку сталей. Цель закалки ряда низкоуглеродистых нержавеющих сталей - увеличение коррозионной стойкости, а не прочности. Твердость у них при закалке не увеличивается, так как нет превращений в твердом состоянии, но при нагреве карбиды переходят в твердый раствор, а при резком охлаждении не успевают выделиться и поэтому формируется однофазная структура. Прочность сталей типа 08Х18Н10Т достигается нагартовкой. т.е. в результате пластической деформации.

Разбирая жаростойкие и жаропрочные стали, следует иметь в виду, что это всегда сложнолегированные стали, которые содержат много элементов и в большом количестве. Окалиностойкостьв основном зависит от химического состава, жаропрочность - от многих факторов. Термическая обработка выбирается в зависимости от условий работы деталей.

Изучите стали и сплавы с определенным коэффициентом линейного расширения и стали с особыми физико-химическими свойствами. Нужно обращать внимание на их химический состав, термическую обработку, если она производится, и область применения каждого сплава.



Вопросы для самопроверки

1. Что понимают под улучшением? Какие для этого используют стали?

2. Выберите марки сталей для рессоры и штампа горячего деформирования.

3. Укажите особенности термической обработки быстрорежущих сталей.

4. Как упрочняются стали типа 08Х18Н10Т?

5. Укажите область применения сплавов с заданным коэффициентом линейного расширения.

6. Какова область применения литых твердых сплавов?

7. В чем преимущества получения инструмента с пластинами из твердых сплавов?


3.6 Основы рационального выбора материалов в машиностроении
Выбор стали для изготовления той или другой детали машин и метод ее упрочнения определяется уровнем требуемой конструкционной прочности, технологичностью механической, термической, химико-термической обработок, объемом производства, дефицитностью, стоимостью материла и себестоимостью упрочняющей обработки, В связи с этим, при изучении этой темы необходимо исходить их следующих общих требований:

1.Эксплуатационные требования.Необходимо понять, что сталь должна удовлетворять условиям работы детали в машине, т.е. обеспечивать заданную конструкционную прочность, определенную расчетом в процессе конструирования. Однако необходимо учитывать, что этих данных, какими бы точными расчеты не были, чаще всего недостаточно для определения надежности работы детали в изделии. Уясните для себя, что только стендовые испытания позволяют с определенной достоверностью прогнозировать работоспособность детали на весь требуемый ресурс работы. В процессе таких испытаний можно установить комплекс прочностных и других параметров, которые находятся в наибольшей корреляции с эксплуатационными свойствами детали. Запомните, что при выборе материала для конкретных условий работы помимо стандартных механических свойств, определенных при статических испытаниях, необходимо учитывать ряд критериев, характеризующих экстремальное воздействие внешней среды. Другими словами, надежность и долговечность деталей машин невозможно обеспечить только повышением запасов статической прочности, т.е. снижением их номинальной напряженности и увеличением сечения. Найдите основные критерии работоспособности, обеспечивающие комплекс специальных свойств, определите их физический смысл и степень влияния в зависимости от внешних условий. Это позволит понять возникновение возможных отказов (внезапных, постепенных, конструктивных, эксплуатационных) и найти пути их устранения за счет выбора соответствующего материала по составу.

2.Технологические требования. Необходимо понять, что сталь должна удовлетворять требованиям минимальной трудоемкости изготовления детали. Изучите, что понимается под технологичностью материала.Рассмотрите, как выбирается состав стали в зависимости от последующего формообразования.

3.Экономические требования.Здесь необходимо сопоставить практическую значимость с экономической целесообразностью выбора стали для изготовления конкретной детали. При этом необходимо учитывать, что материал должен быть возможно дешевле, с учетом всех затрат, включающих не только стоимость стали, но и изготовление деталей с учетом последующей долговечности в изделии. Стоимость материалов резко различна в зависимости от металла основы и системы легирования. Уясните, что применение легированной стали оправдано только в том случае, если оно дает экономический эффект за счет повышения долговечности деталей и уменьшения расхода запасных частей и, таким образом, экономии металлопроката.

При выборе стали или сплава для конкретной детали необходимо различать необходимость упрочнения. Определите, в каких условиях можно пойти на использование более дешевых материалов за счет применения одной из поверхностно упрочняющих технологий. Научитесь выбирать способ поверхностного упрочнения в зависимости от предполагаемых условий эксплуатации.
4Термическая и химико-термическая обработка сталей
При изучении этой темы необходимо понять, что практическое материаловедение рассматривает вопросы формирования структуры и свойств металлических материалов в соответствии с требуемыми как в процессе объемной тепловой обработки (термическая обработка), так и в процессе поверхностной (поверхностная тепловая обработка),

Все режимы термической обработки выбираются в соответствии с диаграммой «железо-цементит» для сталей с учетом возможного фазового состава и предполагаемых структур. Особое место занимает поверхностная химико-термическая обработка, которая позволяет при сохранении общих свойств детали значительно повысить контактную прочность быстроизнашивающихся поверхностей. Причем вид химико-термической обработки определяется характером повреждения детали в процессе эксплуатации.


следующая страница >>