Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ЗАОЧНЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Кафедра материаловедения, пластической и термической обработки

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Рабочая программа

Задание на контрольную работу

Факультет технологии веществ и материалов

Специальность 120800 – материаловедение в машиностроении

Санкт-Петербург

1995

Утверждено редакционно-издательским Советом института

УДК 621-03

Машиностроительные материалы: Рабочая программа, методические указания, задание на контрольную работу.- СПб: СЗПИ, 1995,-13с.

Методический сборник предназначен для занимающихся без отрыва от производства студентов специальности 120800 - материаловедение с машиностроении. Он содержит программу курса, задание на контрольную работу и методические указания по ее выполнению.

Рабочая программа разработана на основании программы дисциплины "Машиностроительные материалы", утвержденной Государственным комитетом по народному образованию 25 июня 1990 года, индекс 12.08.00.8.1.4.

Рассмотрено кафедрой материаловедения пластической и терми­ческой обработки 18 мая 1995 года; одобрено методической комиссией факультета технологии веществ и материалов 25 мая 1995 года.

Рецензенты:

Кафедра материаловедения, пластической и термической обработки СЗПИ (зав.кафедрой д-р техн.наук, профес­сор Е.И. Пряхин);

Ю.П.Солнцев, д-р техн.наук профессор, зав.кафедрой СПбТИХП.

Составители:

Пряхин Е.И., проф., д-р техн.наук

Хазанов С.А., доц., канд. д-р техн.наук

© Е.И.Пряхин, .С.А.Хазанов, 1995.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплина "Машиностроительные материалы" является базовой в цикле специальной подготовке инженеров по специальности 120800-материаловедение в машиностроении.

Цель преподавания дисциплины – дать студентам знания об основных группах металлических и неметаллических машиностроительных материалов, об их важнейших свойствах, отличительных особенностях и областях применения.

В результате излучения данной дисциплины студенты должны получить знания о том, какие из существующих видов и групп металлических и неметаллических материалов следует применять для той или иной детали, изделия или конструкции в зависимости от условий их эксплуатации и предъявляемых к ним требований; иметь четкие представления об отличительных особенностях свойств машиностроительных материалов различных видов и групп и области их применения; знать способы воздействия на структуру и свойства различных машиностроительных материалов.

Дисциплина связана с предшествующими ей дисциплинами: химия, физика, сопротивление материалов, основы научных исследований, теория строения материалов, технологические основы производства порошковых и композиционных материалов, теория и технология термической и химико-термической обработки, механические и физические свойства различных машиностроительных материалов, и с последующими дисциплинами – научные основы выбора материалов и технологий в машиностроении, дисциплин специализаций.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

(Объем курса 72 часа)

ВВЕДЕНИЕ (1 час)

Роль материалов в машиностроении. Основные этапы и тенденции совершенствования машиностроительных материалов. Перспективы при­менения новых видов машиностроительных материалов.

1. Общие сведения о машиностроительных материалах (2 часа)

[1], с. 124...138 или [2], с. 21...32

Металлические и неметаллические материалы. Принципы класси­фикации каждой из этих групп. Отличительные особенности физических, механических и эксплуатационных свойств различных видов машиностроительных материалов. Технологические свойства рассматриваемых материалов. Области их рационального применения.

2. Металлические машиностроительные материалы

2.1. Специальные стали и сплавь! (40 часов)

[1] с. 139... 148, 190...194, 202...803, 269...303, 360...373; или [2], с. 7...29, 120...400; или [3], с. 303...434.

Классификация легирующих элементов. Классификация сталей. Маркировка сталей. Металлургическое качество статей. Фазы в легированных сталях.

Конструкционные строительные стали. Стали обыкновенного ка­чества. Низколегированные стали. Упрочнение ферритно-перлитных сталей при легировании. Стали повышенной прочности.

Конструкционные машиностроительные стали. Качественные и высококачественные стали. Фазовые превращения в легированных сталях при их нагреве и охлаждении. Отпуск закаленной легированной стали. Цементуемые стали. Азотируемые стали. Стали для поверхностной за­калки. Стали пониженной прокаливаемости. Подшипниковые стали. Пружинные стали.

Конструкционные стали специального назначения. Нержавеющие (коррозионностойкие) стали. Износостойкие стали. Криогенные стали. Немагнитные стали повышенной прочности. Стали повышенной обрабатываемости. Радиационностойкие стали.

Конструкционные стали и сплавы, работающие при повышенных температурах. Теплоустойчивые стали. Жаропрочные и жаростойкие стали. Жаропрочные сплавы на основе никеля и кобальта.

Инструментальные стали и сплавы. Классификация сталей. Ста­ли для режущего инструмента. Штамповые стали. Стали для измерительных инструментов. Твердосплавные материалы.

Порошковые стали и сплавы, Способы получения. Структурные особенности. Области применения.

2.2. Чугуны (2 часа)

[1], с. 169...175; или [3], с, 187...198

Обще сведения. Классификация. Серый чугун. Белый чугун. Ковкий чугун. Высокопрочный чугун. Структурные особенности. Марки, назначение и области применения.

2.3. Цветные металлы и сплавы (9 часов)

[1], с. 207...318, 175...185; или [3], с. 434…443, 478…524

Общая характеристика. Классификация.

Алюминий и его сплавы. Классификация. Структурные особенности. Особенности легирования и упрочения. Марки, назначение и области применения. Порошковые алюминиевые сплавы, Назначение и области применения.

Медь и ее сплавы. Классификация. Особенности легирования. Структурные особенности. Марки, назначение, области применения. Порошковые медные сплавы. Назначение. Области применения.

Магний и его сплавы. Классификация. Структурные особенности. Особенности легирования. Марки, назначение, области применения.

Титан и его сплавы. Классификация. Структурные особенности. Особенности легирования. Марки, назначение, области применения.

2.4. ТУГОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ (3 часа)

[13], с. 443...453

Молибден я его сплавы. Структурные особенности. Марки. Области применения.

Ниобий и его сплавы. Структурные особенности. Марки. Области применения.

Цирконий и его сплавы. Структурные особенности. Марки. Области применения.

Вольфрам и его сплавы. Структурные особенности. Марки. Об­ласти применения. Порошковые вольфрамовые сплавы и псевдосплавы. Области применения,

2.5. АМОРФНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ (2 часа.)

[1] с. 44...45; или [4], с. 48...54

Способы получения. Механические и физические свойства. Магнитные и коррозионностойкие материалы.

3. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

3.1. КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ (4 часа)

[1], с. 36; [5]

Общая характеристика. Способы получения керамических изде­лий. Основные группы керамических материалов. Основные преимущества и недостатки керамических материалов. Области использования.

3.2. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ПОЛИМЕРЫ (5 часов)

[1], с. 32...35; или [6], с. 7...14, 80...85

Общие сведения. Классификации, Основные преимущества и не­достатки, полимерных материалов. Области применения.

3.3. ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ (4 часа)

1. Анализ диаграмм состояния и структур металлических сплавов.

2. Выбор материала для изготовления деталей конструкций.

ЛИТЕРАТУРА

ОСНОВНАЯ:

1. Материаловедение./Под ред. Б.Н. Арзамасова.- М.: Машиностроение.-1986.

2. М.И. Гольдштейн, С.В.Грачев, Ю.Г.Векслер, Специальные стали, - М.: Металлургия.- 1985.

3. А.П. Гуляев, Металловедение.- М.: Металлургия.- 1086.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ:

4. Хазанов С.А. Материалы с особыми магнитными свойствами. - СПб.: СЗПИ.- 1992.

5. Балкевич В.А. Техническая керамика,- М.: Стройиздат. - 1934.

6. Кулезнев В.Н., Шершнев И.А. Химия и физика полимеров. –M.: Высшая школа.- 1988.

7. Портной К.И. Структура и свойства композиционных материалов. – М.: Машиностроение.- 1979.

8. Справочник по композиционным материалам. Ч.I и II - M.: Машиностроение.- 1988.

9. Материаловедение и термическая обработка стали: Справ, изд. /Под ред. М.Л.Бернштейна и А.Г. Рахштадта. Т.2, Основы терми­ческой обработки.- М.: Металлургия.- 1983.

10. Конструкционные материалы: Справочник /Под общ.ред. Б.Н.Арзамасова.- М.: Машиностроение.- 1990.

ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛБНУЮ РАБЛТУ

УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

Учебным планом дисциплины предусмотрено выполнение одной контрольной работы. Содержание заданий направлено на закрепление теоретических положений курса и выработку навыков выбора материалов для изготовления конкретных изделий.

Контрольная работа содержит три вопроса. Все необходимые формулы для расчета предела текучести феррито-перлитной стали (вопрос 1) имеются в [2].

Предел текучести:

МПА, (1)

где:

σ₀ – напряжение трения решетки α -Fe;

σ_тр – вклад твердорастворного упрочнения;

σ_п – упрочнение за счет образования перлита;

σ_д – деформационное упрочнение;

σ_ду – упрочнение дисперсными частиками избыточных фаз (дисперсионное упрочнение);

σ_з – зернограничное упрочнение.

Напряжение трения решетки, MПa

(2)

где:

G = 84 000 МПа - модуль сдвига α -Fe.

Упрочнение феррита при легировании вычисляется в предположении аддитивного вклада элементов

МПа, (3)

где:

c_i – содержание элемента в феррите,

k_i – коэффициент упрочнения феррита.

При расчете Δσ_тр следует принять, что содержание C и N (в сумме) в феррите составляет 0,03%; Si, Mn, P целиком растворены в феррите; Cu образует самостоятельную фазу и не участвует в упрочнении; V и остальное количество C и N вхо­дят в состав карбонитрида. Значение коэффициентов k_i (в МПа/1% по массе) следующие:

С + N - 4570; P - 690; Si - 65; Mn - 35.

Упрочнение за счет перлита в низколегированных сталях

МПа, (4)

где: Q_п – объемное содержание перлита в стали, %.

При расчете количества перлита следует принять, что содержание углерода в перлите (вследствие легирования Мn) составляет 0,7%.

Деформационное упрочнение определяется плотностью дислокаций

МПа, (5)

где: b – вектор Бюргерса дислокаций я решетке α –Fe.

(b = 0,25 нм);

ρ – плотность дислокаций (для горячекатаной стали можно принять ρ = 10⁹ см^-2).

Дисперсионное упрочнение зависит от размера D, нм, и объемной доли f частиц:

МПА (6)

Зернограничное упрочнение определяется размером действительного зерна феррита:

МПа (7)

Коэффициент Петча-Холла k_у = 0,65 МПа·м^1/2 для феррито-перлитных низкоуглеродистах сталей.

Размер зерна феррита d_ф зависит от размера, зерна аустенита и наличия частиц карбонитридньк фаз.

В сталях легированных сильными карбидообразующими элементами, средний размер ферритного зерна примерно в два раза мень­ше аустенитного:

м, (8)

а размер аустенитного зерна определяется количеством и размера­ми частиц карбонитридов

м, (9)

Для определения структурного класса нержавеющей хромоникелевой стали (вопрос 2) необходимо воспользоваться либо структурной диаграммой А. Шеффлера ([2], с.263), либо структурной ди­аграммой Я.М. Потака и Я.Л. Сагалевича ([2], c.264).

Структурная диаграмма А. Шеффлера в упрощенном виде пред­ставлена на рисунке. Она может быть построена по данным, приве­денным в табл.1.

Таблица 1

Точки	Координаты точек
	Crэкв, %	Niэкв, %
A	2,6	0
B	0	7,5
C	7,5	0
D	34,5	30
E	12	0
F	40	9
G	20,5	2,8
H	0	19
K	26,4	4,7
L	0	25,5

Эквиваленты хрома (Cr_экв) и никеля (Ni_экв) подсчитываются по формулам:

Cr_экв = %Cr + %Mo + 1.5%Si + 0.5%Nb + 1.5%(Ti + Al), (10)

Ni_экв = %Ni + 30%C + 25%N + 0.5%Mn, (11)

Точку с полученными координатами следует нанести на структурную диаграмму и таким образом определить структурный класс стали.

Химический состав и структурный класс стали позволяют ориентировочно выбрать ее марку, назначить режим термической обработки изделия, а также указать уровень механических свойств и коррозионной стойкости по данным литературных источников [1, 2, 3].

При составлении ответа на третий вопрос необходимо учесть, что зависимость "напряжение–время" прямолинейна в двойных лога­рифмических координатах, см. [3], с.391. Для жаропрочных мате­риалов разрушающее напряжение является функцией температуры и времени, прячем для данного значения разрешающего напряжения:

Р= Т(20 + lgτ) = const, где Т – температура испытание, К; τ – время до разрушения, ч. Используя это выражение можно определить время до разрушения при том же значении напряжения и какой-либо другой температуре испытания.

Данные для выбора марки жаропрочного сплава по известным свойствам имеются в литературе [1, 2, 3, 9, 10].

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА