Российский государственный социальный универсистет

КАФЕДРА «ОХРАНА ТРУДА»

ПЛОШКИН В.В.

СТРУКТУРА И КАЧЕСТВО МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ

МОСКВА 2013

КАФЕДРА «ОХРАНА ТРУДА»

В.В. ПЛОШКИН

СТРУКТУРА И КАЧЕСТВО МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ

ПРАКТИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО ПО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЮ И ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ

Допущено Научно-методическим советом по материаловедению и технологии конструкционных материалов Министерства образования и науки РФ в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям направления подготовки дипломированных специалистов «Безопасность жизнедеятельности»

МОСКВА 2013

УДК 620.22 ББК 30.3 П 39

Плошкин В.В. Структура и качество металлических сплавов: Учебное по­собие для вузов. - М.:, 2009. - 48 с.

Рассматривается дополнительный материал к лекционному курсу по дисциплине "Материаловедение и технология материалов", в котором во­просы качества деталей и заготовок разбираются с учетом анализа макро- и микроструктур литых материалов после пластической деформации и термической обработки. В описании каждой работы имеются необходи­мые теоретические пояснения, изложен порядок выполнения индивиду­ального задания, приводятся контрольные вопросы.

В словаре-справочнике приведены наиболее существенные установив­шиеся и новые понятия по металловедению.

Учебное пособие предназначено для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки 280700 «Техносферная безопасность» (квалифи­кация (степень) "бакалавр").

Структура учебного пособия позволяет рекомендовать его студентам для самостоятельного использования при выполнении семестровых зада­ний, курсовых и дипломных проектов. Оно может быть также использо­вано студентами и аспирантами других немашиностроительных специ­альностей.

Учебное пособие составлено с учетом предварительного знакомства с основами материаловедения и технологии конструкционных материалов.

Рецензенты: доктор технических наук профессор Ю.И. Куклев (РГСУ) доктор технических наук профессор А.В. Кудря (МИСиС)

ISBN

© Плошкин В. В.

ТРЕБОВАНИЯ

к обязательному минимуму содержания основной образовательной програм­мы по направлению подготовки дипломированного специалиста «Безопасность жизнедеятельности»

Индекс	Наименование дисциплин и их основные разделы	Всего часов
ОПД	Общепрофессиональные дисциплины
ОПД.Ф.05	МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ Материаловедение; строение металлов, диффузион­ные процессы в металле, формирование структуры метал­лов и сплавов при кристаллизации, пластическая дефор­мация, влияние нагрева на структуру и свойства деформи­рованного металла, механические свойства металлов и сплавов. Конструкционные металлы и сплавы. Теория и технология термической обработки стали. Химико­термическая обработка. Жаропрочные, износостойкие, ин­струментальные и штамповочные сплавы. Электротехни­ческие материалы, резина, пластмассы. Технология материалов; теоретические и технологи­ческие основы производства материалов. Основные мето­ды получения твердых тел. Основы металлургического производства. Основы порошковой металлургии. Напыле­ние материалов. Теория и практика формообразования за­готовок. Классификация способов получения заготовок. Производство заготовок способом литья. Производство за­готовок пластическим деформированием. Производство неразъемных соединений. Сварочное производство. Физи­ко-химические основы получения сварочного соединения. Пайка материалов. Получение неразъемных соединений склеиванием. Изготовление полуфабрикатов и деталей из композиционных материалов. Физико-технологические ос­новы получения композиционных материалов. Изготовле­ние изделий из металлических композиционных материа­лов. Особенности получения деталей из композиционных порошковых материалов. Изготовление полуфабрикатов и изделий из эвтектических композиционных материалов. Изготовление деталей из полимерных композиционных материалов. Изготовление резиновых деталей и полуфаб­рикатов. Формообразование поверхностей деталей реза­нием, электрофизическими и электрохимическими спосо­бами обработки. Кинематические и геометрические пара­метры процесса резания. Физико-химические основы реза­ния. Обработка лезвийным инструментом. Обработка по­верхностей деталей абразивным инструментом. Условие непрерывности и самозатачиваемости. Электрофизичес­кие и электрохимические методы обработки поверхностей заготовок. Выбор способа обработки.	102.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Профессиональная деятельность дипломированного специалиста по направлению подготовки «Безопасность жизнедеятельности» преду­сматривает проведение исследований в области разработки новых тех­нологий и оборудования, средств защиты от опасных и вредных факто­ров; осуществление развития новых методов повышения надежности и устойчивости технических объектов, локализации и ликвидации послед­ствий аварий и катастроф; определение зон повышенного техногенного риска, выбор системы защиты человека от отдельных видов технологи­ческого оборудования и производственных процессов.

Используемые материалы в значительной степени предопределяют технологию производства и качество готовой продукции. Развитие ма­шиностроительного производства, ориентированного на повышение ка­чества машиностроительной продукции, требует от специалиста владе­ния расчетами при выполнении сборочных операций, технологическими методами обеспечения качества изделий.

Задача металловедения, как науки, заключается в изучении практиче­ски важных свойств металлов и сплавов в зависимости от физического строения и структуры, и факторов, оказывающих влияние на структуру и свойства. Понимание истинных связей между структурой и свойствами металлических сплавов предусматривает включение в понятие «струк­тура» представлений и об особенностях кристаллического строения, и о микроструктуре (размер и форма зерна, структурные составляющие, другие особенности структуры, с которыми встречаются при металло­графических исследованиях).

Учебное пособие представляет собой расширенный материал для практических занятий по курсу «Материаловедение и технология мате­риалов», отвечающий требованиям обязательного минимума содержа­ния основной образовательной программы по направлению подготовки дипломированного специалиста «Безопасность жизнедеятельности». Вопросы качества деталей и заготовок разбираются с учетом анализа макро- и микроструктур литых материалов после пластической дефор­мации, термической обработки и технологических процессов сборки из­делия. Может быть полезно студентам и аспирантам других немашино­строительных специальностей.

Структура учебного пособия позволяет рекомендовать его студентам для самостоятельного использования при выполнении семестровых за­даний, курсовых и дипломных проектов.

Автор выражает глубокую благодарность профессору доктору техни­ческих наук Ю.И. Куклеву и профессору доктору технических наук А.В. Кудре за критический разбор рукописи учебного пособия и полез­ные советы, высказанные при ее рецензировании.

СОДЕРЖАНИЕ

Практическое занятие 1

ИЗОБРАЖЕНИЕ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА 6

Практическое занятие 2

КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ 11

Практическое занятие 3 „ ЦВЕТНЫЕ СПЛАВЫ, ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 32

Практическое занятие 4

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛА ОТЛИВОК (гомогенизация) 47

РЕКОМЕНДОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 59

Практическое занятие 1.

ИЗОБРАЖЕНИЕ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА

Цель работы - разобрать принципиальную схему металлографического микроскопа, получение изображения микроструктуры, масштаб изобра­жения.

В сплавах, которые получают сплавлением, спеканием или одновременным осаждением из газовой фазы отдельных компонентов, которые могут вступать (или не вступать) во взаимодействие друг с другом, в зависимости от характера физико-химического взаимодействия между компонентами, могут образовы­ваться следующие фазы ^новая однородная часть системы, имеющая свой тип кристаллической решетки, состав, свойства и отдельную от других частей системы поверхность раздела): жидкие растворы, твердые растворы, хими­ческие соединения. При отсутствии взаимодействия компонентов - фазами в такой системе будут чистые компоненты (например, система Fe-Pb).

Традиционно структура металлов и сплавов изучается просматриванием по­верхности специально подготовленных образцов (шлифов) или изломов с уве­личением до 30 раз (макроанализ) или с помощью микроскопов (микроанализ). Исследование макроструктуры позволяет обнаружить усадочную раковину и газовые пузыри в слитке, волокнистость поковок и другие особенности, связан­ные с технологическими способами обработки. При исследовании микрострук­туры выявляются структурные составляющие - однообразно повторяющиеся участки во всех частях наблюдаемой структуры.

Первый оптический металлографический микроскоп с весьма ограниченной разрешающей способностью (расстояние между двумя разрешаемыми деталями наблюдаемой структуры) был создан в конце XIX в. Для существующих метал­лографических микроскопов с использованием видимого света разрешающая способность определяется комбинацией двух оптических систем - объектива и окуляра, состоящих из нескольких коаксильно расположенных линз, и состав­ляет до 1800 А (180 нм).

Ультрафиолетовый микроскоп, изобретенный в 1926 г., обладает разрешаю­щей способностью в 1000 А (100 нм), но в металлографии он практически не применяется из-за отсутствия объективных линз, пригодных для отраженного

света. Что касается рентгеновских лучей, то если бы можно было найти пре­ломляющую среду, способную фокусировать рентгеновские пучки, то были бы сконструированы микроскопы с разрешающей способностью 0,5 А (0,05 нм).

Представления о волновой природе электронов (Луи де-Бройль) - излучение обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами, легли в основу электронной микроскопии, в которой применение пучка электронов позволило достигнуть весьма больших увеличений.

В электронных микроскопах, созданных на основе тех же принципов, что и оп­тические микроскопы для прозрачных объектов, используются электроны, уско­ренные напряжением от 30 000 до 150 000 В. Средняя длина волны составляет

0. 07 - 0,03 А (0,007 - 0,003 нм), она в 100 000 раз меньше, чем средняя длина волны видимого света.

Имеются и другие типы электронных микроскопов:

• работающие, как и оптические микроскопы, на отражение;

• 

  Рис. 1. Принципиальная схема металло­графического микроскопа с вертикальным освещением.

  использующие электроны, испускаемые самим объектом, или пучок ионизи­рованных частиц;

• сканирующие поверхность образца при помощи электронного зонда.

На рис. 1 приведена принципиаль­ная схема металлографического мик­роскопа с вертикальным освещением.

Полированная и протравленная

поверхность S металлического образца помещается перпендикулярно оптиче­ской оси микроскопа. На поверхность образца через объектив О падает свет, испускаемый источником L.

При помощи конденсора С и освети­теля I свет фокусируется в пучок, при­близительно параллельный оптической оси микроскопа. Объектив принимает световые лучи, отражающиеся перпендикулярно от поверхности образца. Лучи, которые отражаются от неровностей поверхности, не попадают в поле объектива.

Следовательно, изображение поверхности S, образованное при помощи окуляра Е, представляет собой большую светлую область, пересеченную темными линиями или усеянную темными точками, которые соответствуют границам зерен, фигурам травления, а также разного рода неровностям поверхности.

В микроскопе объектив дает действительное увеличенное изображение объ­екта. Окуляр дополнительно увеличивает это изображение на сетчатке глаза, экране или фотографической пластинке.

Увеличение микроскопа равно произведению соответствующих увеличе­ний объектива и окуляра. Увеличение зависит от наблюдателя. Оно определя­ется углом, под которым наблюдатель видит объект или изображение, и зависит от расположения этого объекта (или изображения) относительно глаза.

Принято, что увеличение равно единице, когда объект находится в плоскости наилучшего зрения невооруженным глазом. Для нормального глаза эта плоскость расположена на расстоянии приблизительно 250 мм. Если расстояние между объ­ектом и глазом больше, то объект будет казаться меньшим, и наоборот.

Следовательно, если говорить, что микроскоп дает увеличение 500, это зна­чит, что действительное изображение объекта, даваемое микроскопом и распо­ложенное в плоскости наилучшего зрения, кажется невооруженному глазу в 500 раз большим, чем сам объект, находящийся на том же расстоянии.

Масштаб изображения является отношением размера изображения к разме­ру объекта. Его значение не зависит от наблюдателя или его положения (рис. 2).

Вопросы

Разобрать смысл слов и выражений - масштаб изображения, металло­графический микроскоп, поверхность металлического образца, разрешающая спо­собность микроскопа, структура металла, увеличение микроскопа, электронный микроскоп.

Рис. 2. Виды структур и типы микроскопов для исследования

Примеры микроструктур для задания

Углеродистая сталь. Участок, состоящий из гру­бопластинчатого перлита. Светлопольное осве­щение. Рельеф (цементитные пластинки) выде­ляется в виде темных линий на светлом фоне феррита. Рельеф влияет на поляризационные эффекты и предотвращает полное гашение. Об­ратите внимание на искажение изображения на краях микрофотографии вследствие аберрации (х500).

Нержавеющая сталь. Тонкие металлические фольги. Наблюдение на просвет при помощи электронного микроскопа. Изображения дисло­каций, расположенных на различных плоскостях скольжения и имеющих различный контраст, изменяющийся в зависимости от ориентации этих плоскостей по отношению к поверхности фольги (х25700).

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 2

КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ

Цель работы; изучение классификации, состава и маркировки сталей и чугунов.

В различных отраслях промышленного производства наибольшее примене­ние получили металлические сплавы - стали и чугуны.

Сталь - сплав железа (основа) с углеродом (до 2,14%). Всегда содержит в определенных количествах постоянные примеси: марганец, кремний, серу, фосфор и газы (кислород, азот, водород).

Чугун - сплав железа с углеродом (более 2,14%, обычно до 4%). Чугун также содержит постоянные примеси и газы.

И в стали, и в чугуны вводят различные легирующие элементы для повыше­ния механических характеристик и получения специальных свойств.

Классификация и маркировка сталей

Стали классифицируют по следующим признакам: химическому составу,

способу производства, качеству, степени раскисления, назначению и структуре.

По химическому составу различают стали углеродистые и легированные. Сталь, содержащая железо, углерод и постоянные примеси в количестве до 0,5­

0. 8% Mn, 0,3-0,4% Si (содержание серы и фосфора определяются качеством стали) называется углеродистой.

Углеродистые стали по содержанию в них углерода (табл. 1) подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,3%С), среднеуглеродистые (0,3-0,7%С) и высокоуг­леродистые (более 0,7%С).