10 билет

1) Механические свойства материалов. Диаграмма растяжения. Металлы и сплавы, используемые в качестве конструкционных материалов, должны обладать определенными механическими свойствами – прочностью, упругостью, пластичностью, твердостью. Прочность – это способность металла сопротивляться деформации и разрушению. Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних сил. Деформации подразделяются на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия сил. В основе пластических деформаций – необратимые перемещения атомов от исходных положений на расстояния, большие межатомных, изменение формы отдельных зерен металла, их расположения в пространстве. Способность металлов пластически деформироваться называется пластичностью. Пластичность обеспечивает конструктивную прочность деталей под нагрузкой и нейтрализует влияние концентратов напряжений – отверстий, вырезов и т.п. При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств, в частности при холодном деформировании повышается прочность, но снижается пластичность. При растяжении образцов с площадью поперечного сечения Fо и рабочей (расчетной) длиной lо строят диаграмму растяжения в координатахкоординатах: нагрузка Р – удлинение Dl образца (рис. 1).

2) Диаграмма перитектики

Линией ликвидус   является линия Т_А p Т_В , линией солидус – Т_А аb Т_В . Точки а, b и а₁, b₁    характеризуют предельную концентрацию компонентов В в a-твердом растворе и А в b-твердом растворе при температурах Т₁ и комнатной.  Линии аа и bb₁ – линии предельной растворимости,  линия аbp – линия перитектического равновесия (линия перитектики), точка р – перитектическая точка. Особенность этой диаграммы заключается в том, что точка р  лежит по одну сторону от точек предельной растворимости а и b (сравните с диаграммой с эвтектикой, рис.11). Поэтому перитектическая  реакция, протекающая для сплавов составов а – р, не носит характера распада жидкости, а заключается во взаимодействии жидкости   с ранее выпавшими кристаллами, в результате чего образуются кристаллы новой фазы: L_p + a_a ---> b_b. Иными словами, в жидкости растворяются уже выпавшие a-кристаллы и одновременно выделяются b-кристаллы.В зависимости от состава сплава  перитектическая реакция заканчивается по–разному. В сплавах, расположенных между точками  а и b, перитектическая реакция протекает с исчезновением жидкости. В сплавах, расположенных между точками b и р , перитектическая    реакция закончится исчезновением   кристаллов. И лишь для сплава состава точки b реакция протекает с одновременным исчезновением обеих реагирующих фаз.3)Легирующие материалы. Назначения. Марки. Легирование — введение в состав металлических сплавов легирующих элементов для придания сплавам определённых физических, химических или механических свойств. Назначение легирующих элементов. Основным легирующим элементом является хром (0,8…1,2)%. Он повышает прокаливаемость, способствует получению высокой и равномерной твердости стали. Порог хладоломкости хромистых сталей - (0…-100)°C. Дополнительные легирующие элементы. Бор – 0.003%. Увеличивает прокаливаемость, а также повышает порог хладоломкости (+20…-60 )°C. Марганец – увеличивает прокаливаемость, однако содействует росту зерна, и повышает порог хладоломкости до (+40…-60)°C. Титан (~0,1%) вводят для измельчения зерна в хромомарганцевой стали. Введение молибдена (0,15…0,46%) в хромистые стали увеличивает прокаливаемость, снижает порог хладоломкости до –20…-120°C. Молибден увеличивает статическую, динамическую и усталостную прочность стали, устраняет склонность к внутреннему окислению. Кроме того, молибден снижает склонность к отпускной хрупкости сталей, содержащих никель.

Ванадий в количестве (0.1…0.3)% в хромистых сталях измельчает зерно и повышает прочность и вязкость. Значительное количество никеля можно заменить медью, это не приводит к снижению вязкости. Стали обладают хорошим сочетанием прочности и вязкости, хорошо свариваются, штампуются и обрабатываются резанием. Кремний повышает ударную вязкость и температурный запас вязкости. Добавка свинца, кальция – улучшает обрабатываемость резанием. Марка легированной качественной ста­ли состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. Легирующие элементы имеют следующие обозначения: хром (X), никель (Н), марганец (Г), кремний (С), молибден (М), вольфрам (В), титан (Т), алю­миний (Ю), ванадий (Ф), медь(Д), бор(Р), кобальт(К), ниобий (Б), цирко­ний (Ц). Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирую­щего элемента в процентах. Если цифра не указана, то легирующего элемента содержится до 1,5%. В конструкционных качественных легированных сталях две первые цифры марки показывают содержимое углерода в сотых долях процента. Кроме того, высококачественные легированные стал и име­ют в конце букву А, а особо высококачественные — Ш. Например, сталь марки ЗОХГСН2А: высококачественная легированная стальсодержит0,30% углерода, до 1% хрома, марганца, кремния и никеля до 2%; сталь марки 95Х18Ш: особо высококачественная, выплавленная методом электрошла­кового переплава с вакуумированием, содержит0,9— 1,0% углерода; 17—19% хрома, 0,030% фосфора и 0,015% серы. Легированные конструкционные стали делят на цементуемые, улуч­шаемые и высокопрочные.

Билет 19

1) Методы термического анализа. Термический анализ — раздел материаловедения, изучающий изменение свойств материалов под воздействием температуры.

Обычно выделяют несколько методов, отличающихся друг от друга тем, какое свойство материала измеряется. Основные методы термического анализа

Дилатометрия – измерение изменений линейных и объемных размеров материалов в результате программируемого изменения температуры во времени. Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) – количественное измерение величины тепловых потоков, возникающих при одновременном программированном нагреве образца и эталона. Позволяет изучать процессы, связанные с химическими и фазовыми переходами в системе, производить высокоточное определение зависимости теплоемкости от температуры или времени при изотермическом анализе. Дифференциальный термический анализ (ДТА) – определение разности температур между образцом и эталоном при программируемом изменении температуры во времени.

Термомеханический анализ (ТМА)/ Динамический механический анализ (ДМА) – измерение деформации образца как функции температуры, времени и приложенной силы. В ДМА проводится измерение сигнала механического возбуждения (как правило, синусоидальной формы), прошедшего через специально закрепленный образец. В ТМА определяется механический отклик образца при программируемом изменении температуры без механического возбуждения. Термогравиметрический анализ (ТГА) – определение величины и характера изменения массы образца в задаваемой газовой атмосфере в результате программируемого изменения температуры. Для удобства измерений так же выпускаются комплексные системы для выполнения совмещенного анализа (2 в 1): Синхронный термический анализ (СТА) – одновременное использование термогравиметрии и дифференциальной сканирующей калориметрии (ТГА / ДСК) или термогравиметрии и дифференциального термического анализа (ТГА / ДТА)

Анализ выделяющихся газов – разработана возможность совмещения приборов термического анализа с ИК-Фурье и масс-спектрометрами для определения состава газов, выделяющихся при термической деструкции исследуемого образца. Метод лазерной вспышки , метод греющих плит (тепломеры) – высокоточное измерение тепловых потоков, возникающих в исследуемом образце за счет создания градиента температур. Применяются для определения коэффициентов теплопроводности и теплопереноса, а также удельной теплоемкости в широком диапазоне температур.

Определение коэффициента электрического сопротивления – измерение температурной зависимости изменения диэлектрических свойств материалов как полимерных, так и керамических.

2)Структуры железоуглеродистых сплавов. Чугуны и стали. Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – важнейшие металлические сплавы современной техники. Производство чугуна и стали по объёму превосходит производство всех других металлов вместе взятых более чем в 10 раз. Диаграмма состояния железо – углерод даёт основное представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов. Начало изучению диаграммы железо – углерод положил Чернов Д.К. в 1868 году. Чернов впервые указал на существование в стали критических точек и на зависимость их положения от содержания углерода. Диаграмма железо – углерод должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит – Fe₃C. Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму – по частям. Т.к. на практике применяют металлические сплавы с содержание углерода до 5%, то рассматриваемая часть диаграммы состояния от железа до химического соединения цементита, содержащего 6,67% углерода. Чугун — железоуглеродистый сплав, в котором содержание углерода превышает 2%. В состав его также входят кремний, марганец, фосфор и сера. Чугун выплавляется в доменных печах из железных руд. Исходными материалами для его получения кроме руды служат топливо и флюсы. В чугуне углерод содержится в свободном состоянии в виде графита или в связанном состоянии в виде карбида железа или цементита. Чугуны, в которых углерод находится в виде графита, имеют в изломе серый цвет и крупнозернистое строение. Они хорошо обрабатываются режущим инструментом, имеют высокие литейные качества, относительно невысокую температуру плавления (1100—1200°С), небольшую усадку (1%) и применяются для изготовления многих деталей машин и механизмов. Эти чугуны называются серыми или литейными. Чугуны, в которых углерод содержится только в виде химического соединения с железом, имеют в изломе белый цвет. Они плохо обрабатываются режущим инструментом и обычно используются для получения стали. Эти чугуны называются белыми или передельными. Кроме белого и серого чугунов для отливки деталей в тракторной, автомобильной и других отраслях промышленности употребляется еще и так называемый ковкий чугун, который получается из белого чугуна специальным отжигом (томлением) его в особых нагревательных печах при температуре 950—1000°С. При этом чрезмерная хрупкость в твердость, характерные для белого чугуна, намного снижаются. Ковкий чугун, как и серый, не куется, а название «ковкий» указывает лишь на значительную его пластичность. Для повышения прочности чугуны легируют, т. е. вводят в их состав никель, хром, молибден, медь и другие элементы (легированный чугун), а также модифицируют, т.е. добавляют магний, алюминий, кальций, кремний (модифицированный чугун). Наибольшее применение получили чугуны следующих марок: отливки из серого чугуна: СЧ-10, СЧ-15, СЧ-18, СЧ-20 и др. (ГОСТ 1412—79); отливки из ковкого чугуна: КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12 и др. (ГОСТ 1215—79). Буквы и цифры марок чугуна обозначают: СЧ — серый чугун, КЧ — ковкий чугун. Цифры после букв у серого чугуна указывают на предел прочности при растяжении. Сталь — сплав железа с углеродом, содержащий углерода не более 2%. По сравнению с чугуном сталь обладает значительно более высокими физико-механическими свойствами. Она отличается высокой прочностью, хорошо обрабатывается резанием, ее можно ковать, прокатывать, закаливать. Кроме того, сталь в расплавленном состоянии жидкотекуча, из нее изготовляют различные отливки. Поэтому она широко применяется во всех областях народного хозяйства, особенно в машиностроении. Сталь получают из передельного чугуна его переплавкой и удалением избытка углерода, кремния, марганца и других примесей и выплавляют в мартенах, электропечах и конверторах. Наиболее распространенным способом получения обычных сортов стали является мартеновский, а для выплавки высококачественных сталей применяют электроплавку. Сталь, выплавленная из чугуна на металлургических заводах, в виде слитков поступает в прокатные, кузнечные или прессовые цехи, где перерабатывается на фасонный и листовой прокат, а также в поковки различной формы и размеров. Все применяемые в настоящее время стали классифицируются по следующим признакам: по химическому составу — углеродистая, легированная; по качеству — сталь обыкновенного качества, качественная, высококачественная;

по назначению — конструкционная, инструментальная.

3)Материалы порошковой металлургии. Антифрикционные материалы (пористость 15…30 %), широко применяющиеся для изготовления подшипников скольжения, представляют собой пористую основу, пропитанную маслом. Масло поступает из пор на поверхность, и подшипник становится самосмазывающимся, не требуется подводить смазку извне. Это существенно для чистых производств (пищевая, фармацевтическая отрасли). Такие подшипники почти не изнашивают поверхность вала, шум в 3…4 раза меньше, чем от шариковых подшипников.

Подшипники работают при скоростях трения до 6 м/с при нагрузках до 600 МПа. При меньших нагрузках скорости скольжения могут достигать 20…30 м/с. Коэффициент трения подшипников – 0,04…0,06.

Разработаны подшипниковые спеченные материалы на основе тугоплавких соединений (боридов, карбидов и др.), содержащие в качестве твердой смазки сульфиды, селениды и гексагональный нитрид бора. Подшипники могут работать в условиях вакуума и при температурах до 500^oС.

Для изготовления используются бронзовые или железные порошки с добавлением графита (1…3 %). Применяют металлопластмассовые антифрикционные материалы: спеченные бронзографиты, титан, нержавеющие стали пропитывют фторопластом. Получаются коррозионностойкие и износостойкие изделия. Срок службы металлопластмассовых материалов вдвое больше, чем материалов других типов. Фрикционные материалы (пористость 10…13 %) предназначены для работы в муфтах сцепления и тормозах. Условия работы могут быть очень тяжелыми: трущиеся поверхности мгновенно нагреваются до 1200^oС, а материал в объеме – до 500…600^oС. Применяют спеченные многокомпонентные материалы, которые могут работать при скоростях трения до 50 м/с на нагрузках 350…400 МПа. Коэффициент трения при работе в масле – 0,08…0,15, при сухом трении – до 0,7.

По назначению компоненты фрикционных материалов разделяют на группы:

основа – медь и ее сплавы – для рабочих температур 500…600^oС, железо, никель и сплавы на их основе – для работы при сухом трении и температурах 1000…1200^oС;

твердые смазки – предотвращают микросхватывание при торможении и предохраняют фрикционный материал от износа; используют свинец, олово, висмут, графит, сульфиты бария и железа, нитрид бора;

материалы, обеспечивающие высокий коэффициент трения – асбест, кварцевый песок, карбиды бора, кремния, хрома, титана, оксиды алюминия и хрома и др.

Примерный состав сплава: медь – 60…70 %, олово – 7 %, свинец – 5 %, цинк – 5…10%, железо – 5…10 %, кремнезем или карбид кремния – 2…3 %, графит – 1…2 %.

Из фрикционных материалов изготавливают тормозные накладки и диски. Так как прочность этих материалов мала, то их прикрепляют к стальной основе в процессе изготовления (припекают к основе) или после (приклепывают, приклеивают и т.д.). Фильтры пористые (пористость 25…50 %) из спеченных металлических порошков по своим эксплуатационным характеристикам превосходят другие фильтрующие материалы, особенно когда требуется тонкая фильтрация.

Они могут работать при температурах от –273^oС до 900^oС, быть коррозионностойкими и жаропрочными (можно очищать горячие газы). Спекание позволяет получать фильтрующие материалы с относительно прямыми тонкими порами одинакового размера.

Изготавливают фильтры из порошков коррозионностойких материалов: бронзы, нержавеющих сталей, никеля, серебра, латуни и др. Для удовлетворения запросов металлургической промышленности разработаны материалы на основе никелевых сплавов, титана, вольфрама, молибдена и тугоплавких соединений. Такие фильтры работают тысячи часов и поддаются регенерации в процессе работы. Их можно продуть, протравить, прожечь.

Фильтрующие материалы выпускают в виде чашечек, цилиндров, втулок, дисков, плит. Размеры колеблются от дисков диаметром 1,5 мм до плит размерами 450 х 1000 мм. Наиболее эффективно применение фильтров из нескольких слоев с различной пористостью и диаметром пор.

18 Билет

1)Технологические и эксплуатационные свойства материалов. Технологические свойства.

Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным способам холодной и горячей обработки.

1. Литейные свойства. Характеризуют способность материала к получению из него качественных отливок.

Жидкотекучесть – характеризует способность расплавленного металла заполнять литейную форму. Усадка (линейная и объемная) – характеризует способность материала изменять свои линейные размеры и объем в процессе затвердевания и охлаждения. Для предупреждения линейной усадки при создании моделей используют нестандартные метры. Ликвация – неоднородность химического состава по объему.

2. Способность материала к обработке давлением. Это способность материала изменять размеры и форму под влиянием внешних нагрузок не разрушаясь.

Она контролируется в результате технологических испытаний, проводимых в условиях, максимально приближенных к производственным. Листовой материал испытывают на перегиб и вытяжку сферической лунки. Проволоку испытывают на перегиб, скручивание, на навивание. Трубы испытывают на раздачу, сплющивание до определенной высоты и изгиб.

Критерием годности материала является отсутствие дефектов после испытания.

3. Свариваемость.

Это способность материала образовывать неразъемные соединения требуемого качества. Оценивается по качеству сварного шва.

4. Способность к обработке резанием.

Характеризует способность материала поддаваться обработке различным режущим инструментом. Оценивается по стойкости инструмента и по качеству поверхностного слоя.

Эксплуатационные свойства

Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях. Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред.

Жаростойкость – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

Жаропрочность – это способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах.

Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах.

Антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.

2)Закалка. Конструкционные стали подвергают закалке и отпуску для повышения прочности и твердости, получения высокой пластичности, вязкости и высокой износостойкости, а инструментальные – для повышения твердости и износостойкости. Верхний предел температур нагрева для заэвтектоидных сталей ограничивается, так как приводит к росту зерна, что снижает прочность и сопротивление хрупкому разрушению. Основными параметрами являются температура нагрева и скорость охлаждения. Продолжительность нагрева зависит от нагревательного устройства, по опытным данным на 1мм сечения затрачивается: в электрической печи – 1,5…2мин.; в пламенной печи – 1мин.; в соляной ванне – 0,5мин.; в свинцовой ванне – 0,1…0,15мин.

По температуре нагрева различают виды закалки:

– полная, с температурой нагрева на 30…50 выше критической температуры. Применяют ее для доэвтектоидных сталей. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме:

Неполная закалка доэвтектоидных сталей недопустима, так как в структуре остается мягкий феррит. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме:

– Неполная с температурой нагрева на 30…50°С выше критической температуры.

Применяется для заэвтектоидных сталей. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме:

После охлаждения в структуре остается вторичный цементит, который повышает твердость и износостойкость режущего инструмента. После полной закалки заэвтектоидных сталей получают дефектную структуру грубоигольчатого мартенсита.

Заэвтектоидные стали перед закалкой обязательно подвергают отжигу – сфероидизации, чтобы цементит имел зернистую форму.

Закаливаемость – способность стали приобретать высокую твердость при закалке.

Закаливаемость определяется содержанием углерода. Стали с содержанием углерода менее 0,20% не закаливаются.

Прокаливаемость – способность получать закаленный слой с мартенситной и троосто-мартенситной структурой, обладающей высокой твердостью, на определенную глубину. За глубину закаленной зоны принимают расстояние от поверхности до середины слоя, где в структуре одинаковые объемы мартенсита и троостита.

Чем меньше критическая скорость закалки, тем выше прокаливаемость. Укрупнение зерен повышает прокаливаемость. Если скорость охлаждения в сердцевине изделия превышает критическую то сталь имеет сквозную прокаливаемость.

Нерастворимые частицы и неоднородность аустенита уменьшают прокаливаемость.

3)Влияние содержания углерода на свойства сталей. С ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита, при одновременном снижении доли феррита. Изменение соотношения между составляющими приводит к уменьшению пластичности, а также к повышению прочности и твердости. Прочность повышается до содержания углерода около 1%, а затем она уменьшается, так как образуется грубая сетка цементита вторичного. Углерод влияет на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладоломкости и снижает ударную вязкость. Повышаются электросопротивление и коэрцитивная сила, снижаются магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции.

Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4 %), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.