ЗО Мет. пособие Материаловедение


Государственное бюджетное профессиональное
образовательное учреждение
«Курганский промышленный техникум»
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
по выполнению контрольных работ
Для студентов заочного отделения
по дисциплине
«МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»
г. Курган, 2016
Панкратов, В.И. Методические рекомендации по выполнению контрольных работ для студентов заочного отделения по дисциплине «Материаловедение» для студентов учреждений среднего профессионального образования. Курган: Курганский промышленный техникум, 2016.
Составитель:
Панкратов Виктор Иванович, преподаватель специальных и общепрофессиональных дисциплин ГБПОУ «Курганский промышленный техникум».
Рецензенты:
РАССМОТРЕНО
на заседании Редакционно-экспертного центра техникума
(протокол №______ от «___»_____________20___года).
Данное пособие предназначено для студентов заочной формы дисциплины «Материаловедение» в рамках ФГОС. В пособии изложены требования к выполнению и оформлению контрольной работы, краткие теоретические сведения, приведены примеры решения задач, представлен список литературы.
© ГБПОУ «Курганский промышленный техникум»
© В.И.Панкратов
ВведениеМетодические указания для выполнения контрольной работы по дисциплине «Материаловедение» разработаны для студентов ГБПОУ «Курганский промышленный техникум» заочной формы обучения.
При выполнении заданий контрольной работы студенты должны:
знать:
– закономерности процессов кристаллизации и структурообразования металлов и сплавов, основы их термообработки, способы защиты металлов от коррозии;
– классификацию и способы получения композиционных материалов;
– принципы выбора конструкционных материалов для применения в производстве;
– строение и свойства металлов, методы их исследования;
– классификацию материалов, металлов и сплавов, их области применения;
уметь:
– распознавать и классифицировать конструкционные и сырьевые материалы по внешнему виду, происхождению, свойствам;
– определять виды конструкционных материалов;
– выбирать материалы для конструкций по их назначению и условиям эксплуатации;
– проводить исследования и испытания материалов.
Все вышеперечисленные знания и умения приобретаются студентами на обязательных аудиторных занятиях и в процессе самостоятельного обучения.
1 Требования к выполнению и оформлению контрольной работы
1. Студенты выполняют контрольную работу в соответствии с учебным рабочим планом в установленные сроки.
2. Студенты должны выполнить один из 10 вариантов, номер которого определяется по последней цифре номера зачетной книжки.
3. На титульном листе указывается номер группы, ФИО студента (см. приложение 1).
4. Контрольная работа выполняется на листах формата А4, шрифтом Times New Roman, высота шрифта 14, с соблюдением «Правил оформления и выполнения курсовых и дипломных проектов».
5. Задания в контрольной работе выполняются по порядку, согласно расположению их в варианте и указываются в содержании (см. приложение 2).
6. На заключительном листе контрольной работы следует указать список используемой литературы, которым Вы пользовались при их выполнении.
7. Если работа не зачтена, внимательно изучите все замечания рецензента. Исправьте имеющиеся недочеты в работе в соответствии с рекомендациями рецензента.
8. Исправленную работу предоставьте на проверку вместе с незачтенной работой.
2 Рекомендуемая литература
1. Овчинников, В.В. Современные материалы для сварных конструкций: учебное пособие для студентов учреждений среднего проф. образования / В.В. Овчинников, М.А. Гуреева. – М.: Издательский центр «Академия», 2013, - 304с.
2. Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов: учебник / Г. П. Фетисов, Ф. А. Гарифуллин. – 3-е изд., испр. – М.: Оникс, 2009, - 636 с.
3. Чумаченко, Ю.Т. Материаловедение: учебник / Ю. Т.Чумаченко, Г. В. Чумаченко. –5-е изд.– Ростов н/Д: Феникс, 2007, - 496 с.
4. Гуляев, А.П. Металловедение: учебник / А.П. Гуляев. – М.: Металлургия, 2006, - 544 с.
5. Самохоцкий, А.И. Лабораторные работы по металловедению и термической обработке металлов: практикум / А. И. Самохоцкий, М. Н. Кунявский. – М.: Машиностроение, 1981, - 174 с.
6. Правила оформления и выполнения курсовых и дипломных проектов / Авт. сост. Т.Г. Верхорубова, О.Е. Демешкина: ГБПОУ КПТ. – Курган, 2015, - 43 с.
3 Теоретические сведения
3.1 Введение
Материаловедение – наука, изучающая строение и свойства металлов и их сплавов, устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами и разрабатывающая пути воздействия на их свойства.
Теоретическими основами металловедения являются такие науки, как кристаллография, физика твердого тела, физическая химия. В свою очередь на металловедение опираются такие научные дисциплины, как общая металлургия, технология металлов, коррозия металлов, теория прочности и др.
3.2 Раздел 1. Закономерности процессов кристаллизации и структурообразования металлов и сплавов, основы их термообработки
3.2.1 Тема 1.1. Строение и свойства материалов, методы их исследования
Металлы являются телами кристаллическими. Это означает, что атомы в занимаемом ими пространстве расположены строго упорядоченно, находясь в определенных местах, на определенных расстояниях друг от друга. [2]
Если соединить атомы воображаемыми линиями в трех взаимно перпендикулярных направлениях, то получится пространственная кристаллическая решетка. Ее наименьшим структурным образованием является элементарная ячейка, контур которой представляет какое-нибудь составленное из атомов тело:
- объемно-центрированная кристаллическая решетка (ОЦК);
- гранецентрированная кристаллическая решетка (ГЦК);
- гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка (ГПУ).
Основные свойства материалов можно подразделить на физические, химические, механические, технологические и специальные.
От физических, химических и механических свойств зависят технологические и специальные свойства материалов. К технологическим свойствам относятся литейные, ковкость, свариваемость, Обрабатываемость режущим инструментом, а к специальным – жаропрочность, жаростойкость, сопротивление коррозии, износостойкость и др.
Основными методами исследования материалов являются метало-графические исследования и механические испытания. При проведении механических испытаний стремятся воспроизвести такие условия воздействия на материал, которые имеют место при эксплуатации изделия, изготовленного из этого материала. [5]
Основными признаками, позволяющими квалифицировать виды механических испытаний, являются:
– способ нагружения (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез, циклическое нагружение и др.);
– скорость нагружения (статическая, динамическая);
– протяженность процесса испытания во времени (кратковременная, длительная).
В результате механических испытаний материалов определяют следующие характеристики: упругость, пластичность, прочность, твердость, вязкость, усталость, трещиностойкость, хладостойкость, жаропрочность.
Испытаниями, проводимыми при статическом нагружении являются:
1. Испытания на растяжение.
Испытания на растяжение позволяют получить достаточно полную информацию о механических свойствах материала. Для этого применяют специальные образцы, имеющие в поперечном сечении форму круга (цилиндрические образцы) или прямоугольника (плоские образцы).
Перед испытанием образец закрепляют в вертикальном положении в захватах испытательной машины (см. рис. 1) и постепенно растягивают в противоположном направлении. [2]

Рис.1 Схема испытательной машины
На схеме цифрами обозначены: 1 – станина; 2 – винт грузовой; 3 – нижний захват (активный); 4 – образец; 5 – верхний захват (пассивный); 6 – силоизмерительный датчик; 7 – пульт управления; 8 – индикатор нагрузок; 9 – рукоятки управления; 10 – диаграммный механизм; 11 – кабель.
При растяжении определяют следующие показатели прочности и пластичности материалов.
Показатели прочности материалов характеризуются удельной величиной – напряжением, равным отношению нагрузки в характерных точках диаграммы растяжения к площади поперечного сечения образца. Определения наиболее часто используемых показателей прочности материалов:
Предел текучести (физический) (Ϭт, МПа) – это наименьшее напряжение, при котором материал деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки:
Ϭт = Рт / Fо,
где Рт – нагрузка, соответствующая площадке текучести на диаграмме растяжения;
Fо – площадь поперечного сечения образца.
Временное сопротивление (предел прочности) (Ϭпр, МПа) – это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Рmax , предшествующей разрыву образца:
Ϭт = Рmax / Fо
Показатели пластичности. Пластичность – одно из самых важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его конструктивным материалом. Определения наиболее часто используемых показателей пластичности материалов:
Относительное предельное равномерное удлинение (δр, %) – это наибольшее удлинение, до которого образец деформируется равномерно по всей его расчетной длине:
δр = [(lр – lо) / lо] х 100,
где lо – длина образца до нагружения;
lр – длина образца, до которой он равномерно удлинился.
Относительное предельное равномерное сужение (Ψр, %):
Ψр = [(Fо – Fр) / Fо] х 100,
где Fо – площадь поперечного сечения образца до нагружения;
Fр – площадь поперечного сечения образца, соответствующая Рmax.
При разрушении образца на две части определяют конечные показатели прочности и пластичности:
Истинное сопротивление разрыву (Sк, МПа) – это напряжение, опре-деляемое отношением нагрузки Рк в момент разрыва к площади поперечного сечения образца в месте разрыва:
Sк = Рк / Fк
Относительное удлинение после разрыва (δк, %) – это отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к ее первоначальной длине.
δк = [(lк – lо) / lо] х 100
Относительное сужение после разрыва (Ψр, %) – это отношение умень-шения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади поперечного сечения:
Ψк = [(Fо – Fк) / Fо] х 100
2. Испытания на твердость.
Твердость – это свойство материала оказывать сопротивление контактной деформации или хрупкому разрушению при внедрении более твердого тела в его поверхность [5]. Наибольшее применение в технике получили статические испытания на твердость по методам:
Бринелля – в поверхность материала вдавливается твердосплавный шарик диаметром D под действием нагрузки Р и после снятия нагрузки измеряется диаметр отпечатка d (см. рис. 2). Число твердости по Бринеллю (НВ) определяется по формуле:
НВ = Р / М = 2Р / πD2[1 – ? 1 – (d/D)2]
Виккерса – в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине = 1360 (см. рис. 2). Число твердости по Виккерсу (НV) определяется по формуле:
НV = Р / М = 2Рsinα/2 / d12
Роквелла – в поверхность материала вдавливается алмазный конус с углом при вершине 1200 (см. рис. 2).

Рис. 2 Схемы испытаний на твердость:
а – по Бринеллю; б – по Виккерсу; в – по Роквеллу
3. Испытания на трещиностойкость.
Трещиностойкость – это свойство материалов сопротивляться развитию трещин при механических и других нагрузках. Трещины в материалах могут быть металлургического и технологического происхождения, а также возникать и развиваться в процессе эксплуатации. [2]
Количественной характеристикой трещиностойкости материала является критический коэффициент интенсивности напряжений в условиях плоской деформации в вершине трещины Ккр. На практике Ккр используют для определения связи между разрушающими напряжениями и размерами дефектов в элементе конструкции. На рис. 3 изображена схема компактного образца с надрезом и выращенной усталостной трещиной для определения Ккр, который подвергается внецентреннему растяжению с автоматической регистрацией диаграммы нагрузка (Р) – раскрытие берегов надреза образца (V) по длине (W) [2].
8191571755
Рис. 3 Схема прямоугольного компактного образца для определения Ккр, при внецентренном растяжении
Испытаниями, проводимыми при динамическом нагружении являются:
1. Испытания на ударную вязкость.
Для оценки склонности материалов к хрупкому разрушению широко применяются испытания на ударный изгиб образцов с надрезом (см. рис. 4), в результате которой определяется ударная вязкость (КС) – это работа, затраченная на ударный излом образца и отнесенная к площади его поперечного сечения в месте надреза. [2]
Испытания на ударную вязкость проводятся на маятниковом копре (см. рис. 5). Работа К, МДж, затраченная на ударный излом образца определяется по формуле:
К = G(h1 – h2),
где G – вес маятника;
h1, h2 – высота подъема маятника до и после испытаний.

Рис. 4 Образцы для испытаний на ударную вязкость:
а – с U-образным надрезом; б – с V-образным надрезом

Рис. 5 Схема испытаний на ударную вязкость:
а – схема маятникового копра; б – расположение образца на копре;
1 – корпус; 2 – маятник; 3 – образец
Ударная вязкость состоит из двух составляющих: удельной работы зарож-дения трещины и удельной работы ее распространения.
2. Испытания на хладноломкость и критическую температуру хрупкости.
Хладноломкость – это способность некоторых металлов охрупчиваться при низких темпаратурах.
К хладноломким металлам относятся металлы с объемно-центрированной кристаллической решеткой, например Feα, и гексагональной, например Zn. Для этой группы металлов при определенной минусовой температуре наблюдается резкое снижение ударной вязкости.
К нехладноломким металлам относятся металлы с гранецентрированной кристаллической решеткой, например Feγ, Al, Ni и др.
Испытания на ударную вязкость при низких температурах позволяют получить хрупкое разрушение металла в результате одновременного действия надреза, повышенной скорости деформирования и температуры.
Характер падения ударной вязкости приводит к порогу хладноломкости.
Температура, при которой происходит определенное падение ударной вязкости, называется критической температурой хрупкости Ткр.
Критическую температуру хрупкости можно определить по характеру строения излома. Вязкий излом имеет волокнистый, а хрупкий – кристаллическое строение. [2]
При циклическом нагружении проводятся испытания на усталость.
Процесс постепенного накопления повреждений в материале при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушению, называется усталостью. Свойство материалов противостоять усталости называется выносливостью.
На рис. 6 приведена схема испытаний на усталость с соответствующими циклами напряжений. Согласно схеме, циклическое нагружение осуществляет-ся подвешенным неподвижным грузом при вращении консольно закрепленного образца.

Рис. 6 Пример испытаний на усталость:
а – схема нагружения образца (1 – вращающийся шпиндель, 2 – образец; 3 – нагружающийся подшипник); б – циклическое изменение напряжения Ϭв образце
Разрушение материалов при усталости отличается от разрушения при однократных нагрузках. Оно характеризуется отсутствием в изломе внешних признаков пластической деформации, т.е. целом усталостный излом имеет характер хрупкого излома.
Зарождение усталостных трещин начинается в поверхностных впадинах. Зарождение микротрещин при циклическом нагружении происходит на начальной стадии испытания. На процесс разрушения при циклических нагрузках существенное влияние оказывают концентраторы напряжений. Концентраторы напряжений могут быть конструктивными (резкие переходы от сечения к сечению), технологическими (царапины, трещины, риски от резца), металлургические (поры, раковины, неметаллические включения). [5]Безобразцовый метод определения механических свойств.
Безобразцовый метод основан на инденторных испытаниях материалов, в результате которых определяют специальные характеристики твердости и пересчитывают их на показатели других механических свойств. Достоинство метода заключается в возможности ускоренной оценки механических характеристик металла готовых изделий, не выводя их из строя и не вырезая из них образцов (см. схему 1).
Безобразцовое определение механических свойств металла можно осуществить в цеховых условиях с помощью переносного прибора МЭИ-Т7 (см. рис. 7). [2]

Рис. 7 Общий вид переносного прибора МЭИ-Т7, закрепленного на трубопроводе

Схема 1 Области эффективного применения безобразцового экспресс-контроля и диагностики механических свойств конструкционных материалов.
3.2.2 Тема 1.2. Основы термообработки
Термическая обработка – это тепловое воздействие на металлы и сплавы с целью придания им желаемой структуры, а следовательно, и свойств. Термическую обработку – самый универсальный и распространенный способ изменения свойств металлов и сплавов проводят или как промежуточную операцию при производстве заготовок для улучшения технологичности их изготовления или как окончательную операцию для придания деталям комплекса свойств, обеспечивающих их износостойкость, надежность в эксплуатации.[1]
Основные виды термической обработки следующие:
1. Отжиг первого рода.
2. Отжиг второго рода.
3. Закалка без полиморфного превращения.
4. Закалка с полиморфным превращением.
5. Старение.
6. Отпуск.
Основы термообработки.
Любая термическая обработка состоит из двух этапов: нагрева до различных температур и охлаждения с различной скоростью. В процессе нагрева, так же как и в процессе охлаждения, железоуглеродистые сплавы претерпевают фазовые и структурные превращения.
Нагрев стали до высоких температур и длительные выдержки при этих температурах могут привести к появлению дефектов, называемых перегревом и пережогом.
Отжиг первого рода.
После литья, термообработки, сварки, обработки давлением в сплавах формируются неравновесные структуры. Для получения равновесной структуры применяют отжиг.
Отжиг – это термическая обработка, заключающаяся в нагреве, временной выдержке и медленном охлаждении, как правило, с нагревательной печью.
Рекристаллизационный отжиг – это термообработка деформированного сплава для проведения рекристаллизации с целью снятия наклепа перед последующей деформацией.
Рекристаллизация – это образование новых зерен в твердом металле при температурах значительно ниже температуры плавления.
Под наклепом понимается упрочнение, повышение твердости и снижение пластичности в результате обработки давлением в холодном состоянии.
Отжиг для снижения и перераспределения внутренних напряжений (отжиг первого рода) – это нагрев заготовок (литых, кованых, сварных) до температур 200 – 7000С, временная выдержка при этих температурах и медленное охлаждение с целью уменьшения и перераспределения остаточных напряжений.
Режимы отжига для снижения напряжений зависят от предшествующего вида технологического процесса обработки заготовки.
Отжиг второго рода.
Отжиг второго рода основан на использовании диффузионных фазовых превращений при охлаждении сплавов в твердом состоянии.
Различают следующие разновидности отжига второго рода:
– полный отжиг;
– неполный отжиг;
– сфероидизирующий отжиг;
– нормализационный отжиг.
Такой отжиг является подготовительной термообработкой с целью облегчения обработки резанием, повышения пластичности, снятия внутренних напряжений, уменьшения структурной неоднородности.
Закалка железоуглеродистых сплавов.
Основными параметрами закалки являются температура нагрева, время выдержки и скорость охлаждения. Температура нагрева и время выдержки должны быть такими, чтобы в сплаве успели произойти полиморфные превращения и раствориться избыточные фазы, а скорость охлаждения должна быть высокой, чтобы не успели пройти обратные процессы фазовых превращений, связанные с процессами диффузии.
Закалка без полиморфного превращения характеризуется тем, что в результате быстрого охлаждения фиксируется состояние сплава при низкой температуре, свойственное ему при более высокой температуре.
Закалка с полиморфным превращением обеспечивает в результате охлаждения перестройку кристаллической решетки.
Большинство конструкционных сталей под закалку нагревают до температур 800 – 8800С. Легированные стали закаливают при более высоких температурах. Быстрорежущие инструментальные стали закаливают с температур 1250 – 13000С.
Под закаливаемостью понимают способность сплава повышать твердость в результате закалки, Закаливаемость сплава зависит от содержания в нем углерода и легирующих элементов.
Охлаждение изделий при закалке можно проводить в одном охладителе (непрерывная закалка); в двух средах – вначале в воде, затем в масле (прерывистая закалка); ступенчато, когда нагретое до температуры закалки изделие погружают в горячую среду, а затем, после выдержки, охлаждают на воздухе или в холодном масле.
Отпуск и старение.
Отпуск – это окончательная операция термической обработки закаленных сплавов, заключающаяся в нагреве до определенных температур, выдержке при заданной температуре и последующим охлаждением с определенной скоростью. Отпуск частично или полностью устраняет внутренние напряжения в закаленном сплаве. Различают три вида отпуска:
– низкотемпературный отпуск (180 – 2500С);
– среднетемпературный отпуск (350 – 5000С);
– высокотемпературный отпуск (500 – 6800С).
Закалка с последующим высоким отпуском называется улучшением.
Старение относится к разновидности термической обработки, при которой в закаленном без полиморфного превращения сплаве происходит распад пересыщенного твердого раствора. При старении закаленного сплава с течением времени его свойства изменяются без заметного изменения микроструктуры. Старение подразделяют на естественное, протекающее без воздействия температуры, и искусственное, протекающее при воздействии температуры.
Старение повышает прочность, твердость, но снижает ударную вязкость многих сталей, поднимая температуру (порог) хладноломкости.
3.2.3 Тема 1.3. Сплавы на основе железа
Диаграмма состояния железо – углерод (см. схему 2) дает представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.

Схема 2 Диаграмма фазового состояния Fe – Fe3C
Содержание углерода в диаграмме Fe – C (цементит) ограничивается 6,67%, т.к. при этой концентрации образуется химическое соединение – карбид железа (Fe3C) или цементит, который и является вторым компонентом данной диаграммы.
Точка А (15390С) отвечает температуре плавления железа, точка D (15000C) – температуре плавления цементита, точки N (13920C) и G (9100С) соответствуют полиморфному превращению Feα – Feγ.
В системе (Fe – C) имеются две большие группы сплавов: стали и чугуны. Сталями называются сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% С; сплавы с большим содержанием углерода от 2,14% до 6,67% называются чугунами. [4]
Углеродистые стали классифицируются:
По содержанию углерода на низкоуглеродистые (до 0,3% С), среднеуглеродистые (0,3 – 0,7% С) и высокоуглеродистые (более 0,7% С).
По назначению на конструкционные и инструментальные.
По качеству на обыкновенного качества, качественные, высоко-качественные.
По степени раскисления на кипящие (Si менее 0,07%), спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием (более 0,12%) и полуспокойные, которые занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.
Ракисление – это процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый с целью предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.
По структуре в равновесном состоянии стали делятся на доэвтек-тоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.
Влияние постоянных примесей на углеродистые стали.
В зависимости от способа выплавки стали различаются содержанием примесей. Основные из них следующие:
1) марганец в виде оксида MnO2 – пиролюзит;
2) кремний в виде соединения SiO2 – кремнезем;
3) вредные примеси – фосфор и сера. Эти элементы оказывают существенное влияние на механические, технологические и др. свойства стали, поэтому их количество строго регламентируется в различных марках сталей;
4) при выплавке и разливке стали в нее из окружающей атмосферы попадают кислород, азот, водород и др. газы
Включения оксидов MnO, SiO2 и Al2O3, а также некоторые других элементов могут образовывать в стали как продукты реакций раскисления на определенном этапе, а также попасть в нее из футеровки печей. Все неметаллические примеси существенно ухудшают металлургическое качество стали и снижают ее механические свойства.
Чугуны.
Чугуны – более дешевый материал, чем сталь. Содержание углерода в них больше 2,14%. Они обладают пониженной температурой плавления и хорошими литейными свойствами. За счет этого из чугунов можно делать отливки более сложной формы, чем из сталей.
В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны. Высокопрочные чугуны являются разновидностью серых, но из-за повышенных механических свойств их выделяют в особую группу.
Белый чугун имеет матово-белый цвет. Весь углерод в этом чугуне находится в связанном состоянии в виде цементита. Имеет большую твердость, очень хрупкий, для изготовления машин не используется. Отливки из белого чугуна служат для получения деталей из ковкого чугуна с помощью графитизирующего отжига. Высокая твердость поверхности такой отливки позволяет ей хорошо работать против истирания. Эти свойства отбеленного чугуна применяются для изготовления деталей, работающих в условиях износа.
Серый чугун по виду излома имеет серый цвет. В структуре серого чугуна имеется графит. По структуре металлической основы серые чугуны разделяют на три вида.
Марка серого чугуна состоит из букв СЧ (серый чугун) и цифры или группы цифр показывающих предел прочности (временное сопротивление) при растяжении и изгибе (кгс/мм2). Показателями механических свойств серых чугунов является прочность при статическом растяжении.
Серые чугуны имеют разнообразное применение от слабонагруженных деталей до изготовления отливок для станин мощных станков.
В высокопрочных чугунах графит имеет шаровидную форму. Их получают путем модифицирования магнием. Чугуны с шаровидным графитом имеют более высокую прочность и при этом некоторую пластичность.
Маркируются высокопрочные чугуны по пределу прочности (Ϭпр) и относительному удлинению (δ), например ВЧ45–5, где 45 кгс/мм2 – предел прочности, 5% – относительное удлинение.
Из высокопрочных чугунов изготавливают оборудование прокатных станов, кузнечнопрессовое оборудование, коленчатые валы и др. детали, работающие при циклических нагрузках и в условиях сильного износа.
Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Их получают в результате специального графитизирующего отжига (томление) белого чугуна. Ковкий чугун по сравнению с серым обладает более высокой прочностью.
Маркировка ковких чугунов КЧ и цифрами (как высокопрочных чугунов)
Ковкие чугуны широко применяются в сельскохозяйственном, авто-мобильном и текстильном машиностроении, в судо- и котло-, вагоно- и дизелестроении. Этот чугун идет на изготовление деталей высокой прочности, которые подвержены сильному истиранию и ударным знакопеременным нагрузкам.
Недостаток ковкого чугуна – высокая стоимость из-за продолжительного дорогостоящего отжига. [3]
3.2.4 Тема 1.4. Поведение материалов в особых условиях
Жаростойкость и методы ее повышения.
Жаростойкость – способность металлов и сплавов сопротивляться окислению и газовой коррозии при высоких температурах.
Повышение жаростойкости сплавов достигается легированием элементами (хром, алюминий, кремний), образующими на поверхности непроницаемые для ионов основного металла и кислорода оксидные пленки.
Пластическая деформация ухудшает жаростойкость, т.к. приводит к появлению градиента напряжений в структуре металла.
Жаропрочность и методы ее повышения. Явление ползучести.
Жаропрочность – способность материала длительное время сопротивляться деформированию и разрушению при повышенных температурах. Жаропрочность важна при выборе материала, когда рабочие температуры изделий выше 0,3Тпл.
Если при постоянной температуре нагрузить металл постоянно действующим напряжением даже ниже предела текучести и оставить его в этих условиях длительное время, то металл со временем будет деформироваться с определенной скоростью. Это явление получило название ползучести или крипа.
Показатели ползучести определяют на специальных установках, которые позволяют при заданных Т и Ϭ измерять деформацию ползучести δ (см. рис. 8).
Главными направлениями повышения жаропрочности являются:
1) увеличение прочности межатомных связей;
2) увеличение размеров зерен;
3) формирование гетерофазной структуры с мелкодисперсной упрочняющей фазой.

Рис. 8 Схема установки для испытания образцов на ползучесть:
1 – образец, 2 – печь для нагрева, 3 – индикатор
Термическая усталость.
Термическая усталость – это деформация и разрушение материала под действием повторяющихся нагревов и охлаждений. Разрушение происходит как при циклическом нагружении (под действием напряжений), так и при ползучести, происходящей вблизи максимальной температуры цикла.
Термическая усталость отличается от механической тем, что при термоциклировании напряжения в основном определяются упруго-пластическими свойствами материала.
Рост термической усталости (термостойкости) может также происходить за счет уменьшения концентраторов напряжений: металлургические – грубые включения различных фаз; технологические – надрезы, задиры; различные конструктивные.
Низкие температуры.
При низких температурах у металлов наблюдается потеря пластичности и вязкости и повышенная склонность к хрупкому разрушению. Основное требование к материалам, работающим в условиях низких температур – это отсутствие хладноломкости.
Необходимо учитывать, что при низких температурах межатомные расстояния уменьшаются, что увеличивает напряжения. Металлы с ОЦК решеткой, когда примеси внедрения в малых количествах могут вызвать переход в хрупкое состояние, а металлы с ГЦК решеткой – количество примесей даже около 1% мало влияет на пластичность. Этим объясняется, что при низких температурах могут работать металлы с ГЦК решеткой. Металлы с решеткой ГПУ находятся в промежуточном положении между металлами с ОЦК и ГЦК решетками по склонности к хрупкому разрушению.
Для надежной работы материала необходимо, чтобы температурный порог хладноломкости был ниже рабочей температуры.
Радиационное облучение.
Радиационное облучение материалов в условиях космоса связано с огромным радиационным полем вокруг Земли.
Радиационное воздействие сильнее сказывается на металлах с ГЦК решеткой, чем на металлы с ОЦК и ГПУ решетками.
Из всех частиц наибольшее влияние на свойства конструкционных материалов оказывают нейтроны, способные из-за отсутствия заряда проникать далеко вглубь кристаллической решетки металла и вызывать в ней следующие существенные изменения:
1) образование «пар Френкеля» вследствие упругого столкновения частиц с ядрами атомов металла;
2) нарушение электронной структуры в результате столкновения частиц с орбитальными электронами;
3) местное повышение температуры, связанное с упругими колебаниями решетки на пути прохождения частиц;
4) образование атомов новых элементов в процессе ядерного распада, а также при захвате ядром частиц;
5) радиационная эрозия в результате отрыва атомов с поверхности под влиянием ударов высокоскоростных пылевидных частиц окружающей среды.
Наиболее опасное явление, наблюдаемое при радиационном облучении – это охрупчивание материалов. Вследствие радиационного облучения у металлов и сплавов понижаются вязкость, пластичность, сопротивление отрыву, а прочность и электросопротивление повышаются, т.е. растет вероятность хрупких разрушений.
Глубокий вакуум.
Действие глубокого вакуума способствует испарению металла. Приемлемыми металлами для использования в вакууме являются кобальт, никель, ниобий, тантал, молибден, вольфрам. Если нарушается термодинамическое равновесие металла с газовой фазой, то и на границе возникают процессы либо конденсации из паровой фазы, либо сублимации.
Вакуум характеризуется низкой молекулярной плотностью. При 100-2000С значения плотности окружающей среды ниже упругости паров многих технических металлов, что приводит к их испарению.
Менее стойки к испарению в вакууме такие металлы, как кадмий, цинк и магний. Алюминий, бериллий, железо, никель, кобальт, титан и их сплавы могут работать длительное время и не испаряться.
Одним из путей борьбы с сублимацией является создание защитных покрытий, обладающих большей стабильностью в вакууме, чем основные металлы.
Керамические материалы, состоящие из оксидов и др. соединений алюминия, бериллия, хрома, магния, кремния, титана и цинка, пригодны для длительной работы в условиях вакуума. В качестве смазки в условиях глубокого вакуума используются металлические покрытия из серебра, золота, кобальта. [2]
3.3 Раздел 2. Классификация и способы получения конструкционных и композиционных материалов
3.3.1 Тема 2.1. Конструкционные материалы
Конструкционные стали должны обладать высокой конструктивной прочностью, обеспечивать длительную и надежную работу изделия в условиях эксплуатации. Особенность требований, предъявляемых к конструкционным материалам, состоит в обеспечении не одной какой-либо характеристики, а комплекса необходимых механических свойств.
Материалы, идущие на изготовление конструктивных элементов, деталей машин и механизмов, наряду с высокой прочностью и пластичностью должны обеспечивать хорошее сопротивление ударным нагрузкам, обладая достаточным запасом вязкости. При знакопеременных нагрузках – высокое сопротивление усталости, при трении – сопротивление изнашиванию, а во многих случаях – сопротивление коррозии.
Различают следующие виды конструкционных сталей: углеродистые, строительные, цементируемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные, подшипниковые, износостойкие, судостроительные, для пищевой промышленности. Автоматные стали применяют для массового изготовления крепежа на станках-автоматах.
Углеродистые конструкционные стали.
Углеродистые конструкционные стали подразделяют на два класса:
1) обыкновенного качества;
2) качественные.
В зависимости от условий и степени раскисления различают виды:
1) кипящие (кп);
2) полуспокойные (пс);
3) спокойные (сп).
Стали обыкновенного качества используют для изготовления слабонагруженных, неответственных конструкций и изделий. Такие стали широко применяют для строительных и др. сварных конструкций не подвергающихся термообработке или находящихся в термически обработанном состоянии.
В зависимости от назначения и гарантированных механических свойств стали обыкновенного качества подразделяются на три группы.
Группа А – стали, поставляемые с определенными механическими свойствами без уточнения их химического состава. Обозначаются буквами Ст, марок 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6. Чем выше марка, тем больше содержание углерода, т.е. выше прочность и ниже пластичность.
Группа Б – стали, поставляемые с гарантированным химическим составом. Обозначаются стали БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5.
Группа В – стали повышенного качества, которые поставляют с гарантированным химическим составом и механическими свойствами. Стали группы В выплавляют следующих марок: ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5.
Стали групп Б и В применяют в тех случаях, когда изделие надо подвергнуть горячей деформации или упрочнить термической обработкой.. Для определения режима обработки необходимо знать химический состав стали.
Сварные конструкции изготавливают главным образом из спокойных и полуспокойных сталей группы В.
Качественные углеродистые стали – получают кислородно-конверторным способом в электро- или мартеновских печах. В зависимости от степени раскисления они бывают спокойными или кипящими. К сталям данной группы предъявляют более высокие требования относительно состава (ограничены пределы содержания углерода, уменьшено содержание серы и фосфора), количества неметаллических включений, макро- и микроструктуры.
Качественные углеродистые стали маркируют цифрами 08; 10; 15; 20; …; 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.
Легированные конструкционные стали.
Легированными называются стали, в которые для придания специальных свойств вводятся легирующие элементы (см. табл. 1), которые обозначаются заглавными буквами алфавита. Цифра, стоящая за буквой указывает приблизительный процент данного элемента. Если после буквы цифры нет – это значит, что данного элемента в стали до 1%. [3]
Таблица 1 Буквенное обозначение легирующих элементов
А
азот Б
ниобий В
вольфрам Г
марганец Д
медь Е
селен
К
кобальт М
молибден Н
никель П
фосфор Р
бор С
кремний
Т
титан Ф
ванадий Х
хром Ц
цирконий Ю
алюминий Ч
редкозем
3.3.2 Тема 2.2. Износостойкие материалы
Цементируемые (нитроцементируемые) легированные стали.
К данной группе сталей относятся низко- и среднелегированные стали с содержанием углерода 0,1 – 0,3%, обеспечивающие после химико-термической обработки, закалки и низкого отпуска высокую поверхностную твердость при вязкой, но достаточно прочной сердцевине. Эти стали используют для изготовления деталей машин и приборов, испытывающих переменные и ударные нагрузки и одновременно подверженных износу.
Карбидо- и нитридообразующие элементы (Cr, Mn, Mo и др.) способствуют повышению прокаливаемости, поверхностной твердости, износостойкости и контактной выносливости. Никель повышает вязкость сердцевины и диффузионного слоя и снижает порог хладноломкости. Цементируемые (нитроцементируемые) легированные стали по механическим свойствам делятся на две группы: стали средней прочности с пределом текучести менее 700 МПа и повышенной прочности с пределом текучести 700 – 1100 МПа.
Хромистые и хромованадиевые стали цементируются на глубину 1,5 мм.
Высокопрочными называют стали, имеющие предел прочности 1500 – 2000 МПа и более. Этим сталям необходимо иметь достаточный запас пластичности и вязкости. К ним относятся:
1) среднеуглеродистые комплексно-легированные стали, используемые после закалки с низким отпуском или после термомеханической обработки;
2) мартенситно-стареющие стали;
3) метастабильные аустенитные стали.
Пружинные стали общего назначения работают в области упругой деформации. В то же время многие из них подвержены воздействию циклических нагрузок. Поэтому основные требования к пружинным сталям – это обеспечение высоких значений пределов упругости, текучести, выносливости, а также, необходимой пластичности и сопротивления хрупкому разрушению.
Стали для пружин и рессор содержат 0,5 – 0,75% С; их также допол-нительно легируют кремнием, марганцем, хромом, ванадием, вольфрамом и никелем. При этом происходит измельчение зерна, способствующее возрастанию сопротивления стали малым пластическим деформациям.
Термическая обработка легированных пружинных сталей (закалка 850 – 8800С, отпуск 380 – 5500С) обеспечивает получение высоких пределов прочности и текучести при пластичности δ = 5 – 12%.
Шарикоподшипниковые стали.
Основной причиной выхода из строя подшипников является контактная усталость металла, проявляющаяся в выкрашивании частиц и отслаивании тонких пластин с рабочей поверхности деталей. При этом на контактных поверхностях деталей возникают дефекты в виде мелких «язв».
Для обеспечения работоспособности изделий шарикоподшипниковая сталь должна обладать высокой твердостью, прочностью и контактной выносливостью. Это достигается качеством металла: его очисткой от неметаллических включений и уменьшением пористости посредством использования электрошлакового или вакуумно-дугового переплава.
При изготовлении деталей подшипника широко используют шарикоподшипниковые (Ш) хромистые (Х) стали ШХ15 и ШХ15СГ с содержанием углерода 1%, дополнительно легированные кремнием и марганцем для повышения прокаливаемости. [2]
3.3.3 Тема 2.3. Стали для изготовления сварных конструкций
При наиболее распространенных способах сварки плавлением в резуль-тате действия источника сварочной теплоты образуется ванна расплавленного металла – сварочная ванна, которая после затвердевания – кристаллизации – обеспечивает создание металлической связи с нерасплавленными зонами свариваемых элементов. В тех объемах металла, которые получили нагрев в процессе сварки, происходит изменение структуры и свойств.
Основным требованием, предъявляемыми к сварным соединениям, является обеспечение механической прочности конструкции. Кроме того, сварные соединения должны обеспечивать плотность (герметичность), хими-ческую стойкость, жаропрочность и пр. [1]
Для выполнения этих требований при сварке сварных конструкций применяются следующие стали:
1. Углеродистые конструкционные стали.
2. Низко- и среднелегированные закаливающиеся стали.
3. низкоуглеродистые бейнитно-мартенситные стали.
4. Высокопрочные перлитные стали.
5. Высокохромистые мартенситные, мартенситно-ферритные и феррит-ные стали.
6. Высоколегированные аустенитные стали и сплавы.
3.3.4 Тема 2.4. Цветные металлы и сплавы
Медь и медные сплавы.
Медь – пластичный и тяжелый металл с высокой теплопроводностью и низким электросопротивлением, а также с высокой коррозионной стойкостью. Это определяет широкое применение меди электротехнической и химической промышленности, В судостроении и криогенной технике, в приборостроении, металлургической промышленности и др. отраслях производства. В сварных конструкциях медь используют в основном в виде листов, лент, полос, труб и проволоки.
Бронзы – это сплавы на основе меди, легированные алюминием, оловом, марганцем, железом и др. элементами. Бронзы подразделяются на две основные группы:
– безоловянные, не содержащие олово в качестве легирующего элемента;
– оловянные, в которых основным легирующим элементом является олово.
В свою очередь безоловянные бронзы в зависимости от основного легирующего элемента подразделяются на алюминиевые, марганцевые, кремниевые, хромовые, бериллиевые и др.
Для всех медных сплавов принята система обозначения марок, отличная от маркировки сталей. Марки деформируемых бронз состоят из букв Бр (бронза), за которыми следуют начальные буквы русских названий легирующих элементов (см. табл. 2). После них в той же последовательности указываются числа, обозначающие среднее содержание этих элементов в процентах. Например, БрАМц9-2 означает, что данная бронза содержит в среднем 9% алю-миния и 2% марганца, остальное – медь и примеси.
В отличие от деформируемых бронз, в литейных бронзах цифры, обозначающие среднее содержание легирующих элементов, указываются сразу после буквы условного обозначения каждого легирующего элемента. Например, БрО3Ц12С5. Если данная марка изготавливается как литейная, так и деформируемая, то в обозначении марки литейной бронзы в конце буква «Л».
Таблица 2 Условные обозначения элементов в марках цветных металлов и сплавов.
А
алюминий Б
бериллий Бо
бор Ж
железо Кд
кадмий
К
кремний Мг
магний Мц
марганец М
медь Мш
мышьяк
Н
никель О
олово С
свинец Ср
Серебро Су
сурьма
Т
титан Ф
фосфор Х
хром Ц
Цинк Рз
редкозем
Латуни – это сплавы меди с цинком. По химическому составу их подразделяют на двойные (простые), состоящие из меди и цинка, и многоком-понентные (сложные или специальные).
В зависимости от назначения и механических свойств латуни бывают обрабатываемые давлением и литейные.
Обозначение марок двойных латуней состоят из буквы «Л» (латунь) и цифры, указывающей среднее содержание меди в процентах, остальное – цинк.
Марки многокомпонентных латуней обозначаются аналогично бронзам. После первой буквы «Л» (латунь) указываются буквы обозначений элементов, которыми легирована данная марка латуни. За буквами следует число, показывающее среднее содержание меди в процентах, а за ними цифры в той же последовательности, что и буквы, соответствующие среднему содержанию каждого легирующего элемента в процентах. Содержание цинка в марках лату-ней не указывают, т.е. цинк – все остальное. Например, обозначение ЛМц58-2 означает, что данная марка латуни содержит 58% меди, 2% марганца, остальное – цинк.
К медно-никелевым сплавам относятся сплавы с медной основой, содержащей до 50% никеля.
Обозначение марок начинается с буквы «М» (медь), после которой следуют буквы, обозначающие легирующие элементы. Например, МН19 – это сплав, содержащий никеля 19%, остальное – медь.
Никель и его сплавы.
Никель и его сплавы, содержащие более 50% никеля, – широко распрост-раненные конструкционные материалы, применяемые во многих отраслях промышленности для изготовления аппаратуры и оборудования, работающих в агрессивных средах при повышенных и пониженных температурах.
Буква «Н» в обозначении марки соответствует установленному обозначению металла (никель), а последующие цифры являются порядковыми номерами марок.
Алюминий и алюминиевые сплавы.
Алюминий – пластичный, хладостойкий и легкий металл с высокой электропроводностью и теплопроводностью. Обозначается буквой «А», после которой стоят порядковые номера марок или чистота металла. Например, А999, А995, А7, А5 и т.д.
Алюминий и его сплавы подразделяются на две основные группы: дефор-мируемые и литейные, используемые в виде отливок.
Сплавы алюминия, легированные марганцем и магнием обозначаются АМц и АМг соответственно.
Марки сплавов алюминия, легированные медью и магнием, обозначаются буквой «Д» (дуралюминий). За буквами следуют цифры (например, Д1, Д16), которые не связаны с количеством меди в сплавах и являются порядковыми номерами.
Маркировка литейных алюминиевых сплавов не имеет единой системы обозначений. Наименования состоят из букв «АЛ» и цифровых порядковых номеров (например, АЛ4, АЛ25).
Титан и титановые сплавы.
Титан обозначается буквами «ВТ», не окисляется на воздухе при температурах до 5000С, а скорость его коррозии в серной кислоте и морской воде составляет соответственно 50 и 3х10-5 мм/год.
Деформируемые титановые сплавы выпускают трех классов в зависимости от структуры и трех степеней прочности.
К числу основных затруднений, встречающихся при сварке титана, отно-сится его большая химическая активность при высокой температуре, особенно в расплавленном состоянии, по отношению к газам (кислороду, азоту и водороду). Обязательным условием получения качественного соединения при сварке титана плавлением является надежная защита от газов атмосферы не только сварочной ванны, но и остывших участков металла шва и околошовной зоны до температур 300…4000С. [4]
3.3.5 Тема 2.5. Порошковые и композиционные материалы
Порошковые материалы.
Методы порошковой металлургии позволяют создавать принципиально новые материалы: многослойные композиции, различные комбинации метал-лических и неметаллических компонентов, пористые материалы с широким диапазоном контролируемой пористости, изделия из тугоплавких металлов.
Технологический процесс изготовления изделий из порошков включает в себя получение порошков, подготовку шихты, формирование, спекание, горя-чее прессование и штамповку.
Размеры частиц порошка составляют от 0,1 мкм до 0,1 мм. Более крупные фракции называются гранулами, более мелкие – пудрой.
Металлические порошки получают физико-механическими и химико-металлургическими способами.
При формировании заготовок из порошков определенного химического состава прессованием им придают форму и размеры готовых деталей, после чего подвергают спеканию.
Изделия для машиностроения – наиболее распространенный вид продукции порошковой металлургии.
Конструкционные порошковые материалы подразделяются на материалы общего назначения, заменяющие обычные углеродистые и легированные стали, чугуны и цветные металлы, и материалы, обладающие специальными свойствами, – высокой износостойкостью, твердостью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью и др.
Композиционные материалы.
Композиционным материалом, или композитом, называется объемная гетерогенная система, состоящая из сильно различающихся по свойствам, взаимно нерастворимых компонентов. Строение системы позволяет использовать достоинства каждого из них.
Композиты состоят из сравнительно пластичного матричного материала – основы и более твердых и прочных компонентов, являющихся наполнителями.
Ведущую роль в упрочнении композитов играют наполнители, называе-мые упрочнителями.
По типу упрочняющих наполнителей композиты подразделяют на:
– дисперсно-упрочненные;
– волокнистые;
– слоистые. [1]
3.3.6 Тема 2.6. Классификация и маркировка металлокерамическихтвердых сплавовМеталлокерамическими твердыми сплавами называют сплавы, изготовленные методом порошковой металлургии (металлокерамики) и состоящие из карбидов тугоплавких металлов: WC, TiC, TaC, – соединенных пластичной металлической связкой, чаще всего кобальтом.
В настоящее время в России изготовляют твердые сплавы трех групп: вольфрамовые, титановольфрамовые и титанотанталовольфрамовые, содержащие в качестве связки кобальт. Из-за дороговизны вольфрама разработаны твердые сплавы, совсем не содержащие карбида вольфрама. В качестве твердой фазы они содержат только карбид титана либо карбонитрид титана – Ti(NC). Роль пластичной связки выполняет никель-молибденовая матрица. Классификация твердых сплавов представлена на рис. 4.2.В соответствии с пятью классами металлокерамических твердых сплавов существующие правила маркировки образуют пять маркировочных групп.
Вольфрамовые, или вольфрамокобальтовые, твердые сплавы маркируются буквосочетанием ВК, за которым указывается целое число процентов кобальта:
Примеры: ВК3, ВК6, ВК8, ВК10.
Титановольфрамовые, или титановольфрамокобальтовые твердые сплавы маркируются следующим образом: первой в марке стоит буква Т, за ней следует число массовых процентов карбида титана, далее буква К и число процентов кобальта. Концентрация карбида вольфрама – остальное.
Примеры: Т30К4, Т15К6, Т5К10, Т5К12.
Титанотанталовольфрамовые, или титанотанталовольфрамо-кобальтовые твердые сплавы маркируются следующим образом: первой в марке стоит буквосочетание ТТ, за ней следует суммарное число массовых процентов карбида титана и карбида тантала, далее буква К и число процентов кобальта. Концентрация карбида вольфрама – остальное.
Примеры: ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8, ТТ20К9.
Иногда в конце марки через дефис добавляют буквы или буквосочетания, характеризующие дисперсность частиц карбидов в порошке:
М – сплав из мелких порошков, например, ВК6-М;
ОМ – сплав из особо мелких порошков, например, ВК8-ОМ;
В – сплав из крупнозернистого карбида вольфрама, например, ВК4-В;
ВК – сплав из особо крупнозернистого карбида вольфрама, например, ВК10-ВК.
Безвольфрамовые твердые сплавы с карбидом титана маркируются буквосочетанием ТН, за которым через тире следует суммарное число массовых процентов никеля и молибдена.
Пример – ТН-20.
Безвольфрамовые твердые сплавы с карбонитридом титана маркируются буквосочетанием КНТ, за которым через тире следует суммарное число массовых процентов никеля и молибдена.
Пример – КНТ-16.
3.3.7. Тема 2.7 Материалы для режущих и измерительных инструментов
Инструментальная углеродистая сталь – это сталь с содержанием уг- лерода от 0,7 % и выше. Эта сталь отличается высокой твёрдостью и прочностью (после окончательной термообработки) и применяется для изготовления инструмента. Инструментальная углеродистая сталь делится на качественную и высококачественную.
Выпускается по ГОСТ 1435-99 следующих марок: У7; У8; У8Г; У9; У10; У11; У12; У7А; У8А; У8ГА; У9А; У10А; У11А; У12А. Стандарт распрост-раняется на углеродистую инструментальную горячекатаную, кованую, калиб-рованную сталь, серебрянку.
К группе качественных сталей относятся марки стали без буквы А (в конце маркировки), к группе высококачественных сталей, более чистых по содержанию серы и фосфора, а также примесей других элементов — марки стали с буквой А. Буквы и цифры в обозначении этих марок стали означают: У — углеродистая, следующая за ней цифра — среднее содержание углерода в десятых долях процента, Г — повышенное содержание марганца.
Легированные инструментальные стали – содержат 0,9…1,4 % углерода. В качестве легирующих элементов содержат хром, вольфрам, ванадий, марганец, кремний и другие. Общее содержание легирующих элементов до 5%.
Высокая твердость и износостойкость в основном определяются высоким содержанием углерода. Легирование используется для повышения закаливаемости и прокаливаемости, сохранения мелкого зерна, повышения прочности и вязкости. Термическая обработка включает закалку и отпуск.
Проводят закалку с температуры 800…850oС в масло или ступенчатую закалку, что уменьшает возможность коробления и образования закалочных трещин. Отпуск проводят низкотемпературный, при температуре 150…200oС.
Стали используются для изготовления инструмента и ударного, и режущего.
Быстрорежущие стали – получили свое название за свойства. В следствии высокой теплостойкости (550…650oС), изготовленные из них инструменты могут работать с достаточно высокими скоростями резания.
Стали содержат 0,7…1,5 % углерода, до 18 % основного легирующего элемента – вольфрама, до 5 % хрома и молибдена, до 10 % кобальта
Добавление ванадия повышает износостойкость инструмента, но ухудшает щлифуемость. Кобальт повышает теплостойкость до 650oС.
Стали для измерительных инструментов.
Основными требованиями, предъявляемыми к сталям, из которых изготавливаются измерительные инструменты, являются высокая твердость и износоустойчивость, стабильность в размерах в течение длительного времени. Последнее требование обеспечивается минимальным температурным коэффициентом линейного расширения и сведением к минимуму структурных превращений во времени.
Для изготовления измерительных инструментов применяются:
– высокоуглеродистые инструментальные стали, легированные и углеродистые (стали У12, Х, Х9, ХГ), после закалки и стабилизирующего низкотемпературного (120…170 oС ) отпуска в течение 10…30 ч. До отпуска желательно провести обработку холодом. Получают твердость 62…67 HRC;
– малоуглеродистые стали (сталь 15, 20) после цементации и закалки с низким отпуском;
– нитралои (сталь 38ХМЮА) после азотирования имеют высокую твердость. [2]
3.3.8 Тема 2.8. Стали для инструментов обработки металлов давлением
Штамповые стали.
Инструмент, применяемый для обработки металлов давлением (штампы, пуансоны, матрицы) изготавливают из штамповых сталей.
Различают стали для штампов холодного и горячего деформирования.
Стали для штампов холодного деформирования должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, прочностью, вязкостью (чтобы воспринимать ударные нагрузки), сопротивлением пластическим деформациям.
Для штампов небольших размеров (до 25 мм) используют углеродистые инструментальные стали У10, У11, У12 после закалки и низкого отпуска на твердость 57…59 HRC. Это позволяет получить хорошую износостойкость и ударную вязкость.
Для более крупных изделий применяют легированные стали Х, Х9, Х6ВФ. Для повышения износостойкости инструмента после термической обработки проводят цианирование или хромирование рабочих поверхностей.
Для уменьшения брака при закалке необходимо медленное охлаждение в области температур мартенситного превращения (например, закалка из воды в масло для углеродистых сталей, ступенчатая закалка для легированных сталей).
Если штамповый инструмент испытывает ударные нагрузки, то используют стали, обладающие большей вязкостью (стали 4ХС4, 5ХНМ). Это достигается снижением содержания углерода, введением легирующих элементов и соответствующей термической обработкой. После закалки проводят высокий отпуск при температуре 480…580oС, что обеспечивает твердость 38…45 HRC.
Стали для штампов горячего деформирования.
Дополнительно к общим требованиям, от сталей этой группы требуется устойчивость против образования трещин при многократном нагреве и охлаждении, окалиностойкость, высокая теплопроводность для отвода теплоты от рабочих поверхностей штампа, высокая прокаливаемость для обеспечения высокой прочности по всему сечению инструмента.
Для изготовления молотовых штампов применяют хромоникелевые среднеуглеродистые стали 5ХНМ, 5ХНВ, 4ХСМФ. Вольфрам и молибден добавляют для снижения склонности к отпускной хрупкости. После термической обработки, включающей закалку с температуры 760…820oС и отпуск при 460…540oС, сталь имеет структуру – сорбит или троостит и сорбит отпуска. Твердость 40…45 HRC.
Штампы горячего прессования работают в более тяжелых условиях. Для их изготовления применяются стали повышенной теплостойкости. Сталь 3Х2В8Ф сохраняет теплостойкость до 650oС, но наличие карбидов вольфрама снижает вязкость. Сталь 4Х5В2ФС имеет высокую вязкость. Повышенное содержание хрома и кремния значительно увеличивает окалиностойкость стали. [4]
4. Варианты контрольной работы
4.1 Теоретические вопросы контрольного задания.

Вар. №1 №2 №3 №4 №5 №6 №7 №8 №9 №10
Номер раздела 4.2 1,11,
21,31,
41 2,12,
22,32,
42 3,13,
23,33,
43 4,14,
24,34,
44 5,15,
25,35,
45 6,16,
26,36,
46 7,17,
27,37,
47 8,18,
28,38,
48 9,19,
29,39,
49 10,20,
30,40,
50
4.2 Темы для самостоятельного изучения
1. Основы строения и свойств материалов.
2. Закономерности процессов кристаллизации и структурообразования металлов и сплавов.
3. Физико-химические основы материаловедения: кристаллическое строение и свойства материалов.
4. Понятие о прочности, упругости, пластичности, испытание на растяжение.
5. Определение твердости металлов. Методы испытания на твердость.
6. Испытания на ударную вязкость.
7. Термическая обработка стали. Основные виды термообработки.
8. Понятие о нормализации металлов, сущность, применение.
9. Понятие об отжиге, его виды, характеристика.
10. Понятие о закалке стали, сущность, способы, применение.
11. Отпуск стали, виды, применение.
12. Цементация стали, технология, применение.
13. Азотирование, сущность, применение.
14. Цианирование и нитроцементация, технология, применение.
15. Диаграмма состояния железо-углерод.
16. Классификация углеродистых сталей.
17. Стали обыкновенного качества, маркировка, применение.
18. Качественные углеродистые конструкционные стали, маркировка, применение.
19. Инструментальные углеродистые стали, маркировка, применение.
20. Влияние постоянных примесей на углеродистые стали.
21. Обыкновенные нелегированные серые чугуны.
22. Производство чугуна.
23. Специальные (легированные) серые чугуны.
24. Белые износостойкие легированные чугуны.
25. Легированные конструкционные стали, классификация, маркировка, применение.
26. Инструментальные быстрорежущие стали, маркировка, применение.
27. Жаростойкость и жаропрочность сталей. Методы их повышения.
28. Низкие температуры. Хладноломкость металлов.
29. Коррозионностойкие стали и сплавы. Способы защиты металлов от коррозии.
30. Материалы с высокой твердостью поверхности; антифрикционные материалы.
31. Алюминий, сплавы на основе алюминия, классификация, маркировка, применение.
32. Сплавы на основе магния и бериллия, свойства, применение.
33. Медь, ее свойства, применение.
34. Свойства и применение оловянных бронз.
35. Свойства и применение безоловянных бронз.
36. Свойства и применение латуней.
37. Никель и его сплавы.
38. Титан и титановые сплавы.
39. Порошковые материалы. Пористые фильтрующие и сетчатые материалы.
40. Композиционные материалы, классификация, общая характеристика.
41. Твердые сплавы. Классификация, маркировка, применение.
42. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы.
43. Волокнистые композиционные материалы.
44. Слоистые композиционные материалы.
45. Свойства и применение композиционных материалов.
46. Полимеры, структура, термомеханические свойства полимеров.
47. Пластмассы, классификация, область применения.
48. Резины, каучуки. Технология приготовления резиновых смесей и формообразования деталей из резины.
49. Влияние условий эксплуатации на свойства резины.
50. Состав и общие свойства стекла, ситаллы (структура и применение); древесина (ее основные свойства, разновидности древесных материалов).
4.3 Практическое задание №1 контрольной работы
Расшифруйте марки заданных сплавов, укажите их применение в промышленности, согласно Вашему варианту задания.

Вар. Марка конструкционных и инструментальных материалов
1 Ст1кп 10Г2СД 12Г2СМФАЮ ВЧ60 Д16А Сталь15
2 ВСт3 15ГФ 12ГН2МФАЮ СЧ56-36 АЛ19 Сталь15Г
3 ВСт614ХГС 14ХГ2САФД СЧ35 Л63 Сталь22К
4 ВСт410ХСНД 18Х11МНФБ КЧ35-10 ЛАН59-3-2 Сталь20
5 БСт2пс 12ГС 12Х11В2МФ А20 ЛАЖ60-1-1 Сталь12К
6 Сталь08 30ХГСА 10Х12НД Р18К5Ф2 БрАЖ9-4 Ст3пс
7 Сталь10 30ХГНА 08Х23С2Ю Р6К9 БрОЦ4-3 ВСт28 Сталь20А 35ХМ 12Х18Н10Т У12А БрОФ7-0,2 ВСт5
9 Сталь30Л 30ХГТ 10Х14Г14Н4Т ШХ15 АК8 БСт210 Сталь 45 35ХВФА 06ХН28МДТ ЖЧХ15 ВТ15 БСт4сп
4.4 Пример решения практического задания контрольной работы
Расшифровка марок сплавов и области их применения:
а) 18Х2Н4ВА – сталь конструкционная ответственная срелне-легированная с содержанием углерода 0,18 %, около 2 % хрома, 4 % никеля, 1 % вольфрама. Применяется для изготовления ответственных валов, упроч-ненных азотированием.
б) ВСт3сп – сталь углеродистая конструкционная обыкновенного качества спокойная, марки 3, раскислена марганцем свыше 0,12 %, с содержанием кремния до 0,05 %; изготовляемая и поставляемая по гарантированным механическим свойствам и химическому составу. Предназначена для производства сварных конструкций.
в) БрО5Ц5С5 – литейная оловянная бронза с содержанием олова в среднем 5 %, дополнительно легирована цинком и свинцом до 5 % каждого элемента. Предназначена для изготовления коррозионностойких деталей с антифрикционными свойствами.
Приложение 1
Государственное бюджетное профессиональное
образовательное учреждение
«Курганский промышленный техникум»
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
По дисциплине «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»
Вариант №___
Выполнил студент гр.____ _подпись_ Иванов А.А.
Преподаватель _подпись_ Петров В.В.
Оценка __________________
г. Курган, 201__г.
Приложение 2
Содержание
Введение 3
1. Теоретические вопросы контрольного задания 4
1.1. 4
1.2. 5
1.3. 6
1.4. 7
1.5. 8
2. Практические задания 10
2.1. Сплав 11
2.2. Сплав 11
2.3. Сплав 11
2.4. Сплав 12
2.5. Сплав 12
2.6. Сплав 12
Заключение 13
Список использованных источников 14
Список использованной литературы
1. Овчинников, В.В. Современные материалы для сварных конструкций: учебное пособие для студентов учреждений среднего проф. образования / В.В. Овчинников, М.А. Гуреева. – М.: Издательский центр «Академия», 2013
2. Власов, В.С. Металловедение: учеб. пособие / В.С. Власов. – М.: Альфа – М: ИНФРА – М, 2009
3. Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов: учебник / Г. П. Фетисов, Ф. А. Гарифуллин. – 3-е изд., испр. – М.: Оникс, 2009
4. Самохоцкий, А.И. Лабораторные работы по металловедению и термической обработке металлов: практикум / А. И. Самохоцкий, М. Н. Кунявский. – М.: Машиностроение, 1981
5. Худяков, М.А. Материаловедение: учебное пособие / М. А. Худяков. – Уфа: Монография, 2006
6. Чумаченко, Ю.Т. Материаловедение: учебник / Ю. Т.Чумаченко, Г. В. Чумаченко. –5-е изд.– Ростов н/Д: Феникс, 2007
7. Гуляев, А.П. Металловедение: учебник / А.П. Гуляев. – М.: Металлургия, 2006
8. Кузьмин, Б.А. Технология металлов и конструкционные материалы: учебник для машиностроительных техникумов / Б.А. Кузьмин, Ю.Е., Абраменко и др. – М.: Машиностроение, 1989
Содержание
Введение 3
1. Требования к выполнению и оформлению контрольной работы 4
2. Рекомендуемая литература 5
3. Теоретические сведения 6
3.1. Введение 6
3.2 Раздел 1. Закономерности процессов кристаллизации и структурообразования металлов и сплавов, основы их термообработки 6
3.2.1. Тема 1.1. Строение и свойства материалов, методы их
исследования 6
3.2.2. Тема 1.2. Основы термообработки 12
3.2.3. Тема 1.3. Сплавы на основе железа 16
3.2.4. Тема 1.4. Поведение материалов в особых условиях 19
3.3. Раздел 2. Классификация и способы получения конструкцион-
ных и композиционных материалов 22
3.3.1. Тема 2.1. Конструкционные материалы 22
3.3.2. Тема 2.2. Износостойкие материалы 24
3.3.3. Тема 2.3. Стали для изготовления сварных конструкций 25
3.3.4. Тема 2.4. Цветные металлы и сплавы для сварных конструкций 26
3.3.5. Тема 2.5. Порошковые и композиционные материалы 28
3.3.6 Тема 2.6. Классификация и маркировка металлокерамическихтвердых сплавов 29
3.3.7. Тема 2.7. Материалы для режущих и измерительных
инструментов 31
3.3.8. Тема 2.8. Стали для инструментов обработки металлов
давлением 32
4. Варианты контрольной работы 34
4.1. Теоретические вопросы контрольного задания 34
4.2. Темы для самостоятельного изучения 34
4.3. Практическое задание контрольной работы 36
4.4 Пример решения практического задания контрольной работы 36
Приложения 37
Список использованной литературы 39

Приложенные файлы

  • docx 1496508
    Размер файла: 2 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий