РОЛЬ И МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В ПОДГОТОВКЕ СПЕЦИАЛИСТОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Материаловедение – это наука о строении, свойствах и методах определения свойств материалов, способов обработки материалов и применения материалов.

Студент должен уметь выбирать материалы на основе анализа их свойств для применения в производственной деятельности.

Должен знать:

- свойства металлов, сплавов, способов их обработки;

- свойства и область применения электротехнических неметаллических и композиционных материалов;

- виды и свойства топлива, смазочных и защитных материалов.

В результате изучения дисциплины Материаловедение должны быть сформированы:

- общие компетенции ОК1- ОК9;

- профессиональные компетенции: ПК 1.2; ПК 1.3; ПК 2.3; ПК 3.1; ПК 3.2.

Дисциплина Материаловедение обеспечивает основы профессиональных знаний для освоения междисциплинарных курсов:

- МДК.01.01 Конструкция, техническое обслуживание и ремонт подвижного состава (по видам подвижного состава);

- МДК.01.02 Эксплуатация подвижного состава (по видам подвижного состава) и обеспечение безопасности движения поездов;

- МДК 02.01 Организация работы и управление подразделением организации.

Классификация металлов

Все материалы делятся на две большие группы:

- металлы

- неметаллы.

Металлы:

- черные – железо, кобальт, никель;

- цветные – алюминий, медь, цинк, хром;

- щелочные – литий, натрий, калий;

- щелочно- земельные – в свободном состоянии применяются в особых случаях

- тугоплавкие – молибден, тантал, вольфрам;

- легкоплавкие – цинк, кадмий, ртуть, олово, свинец

- урановые – актиноиды;

- редкоземельные - лантаноиды

- благородные – золото, серебро, платина.

Все металлы имеют упорядоченное кристаллическое строение. Современной науке известно 9 типов кристаллической решетки.

Типы кристаллических решеток

1. Кубическая объемноцентрированная кристаллическая решетка.

   9 атомов (Молибден, вольфрам, ванадий, железо α)

2. Кубическая гранецентрированная кристаллическая решетка.

   14 атомов (Алюминий, медь, золото, серебро, железо γ)

3. Решетка гексагональная плотноупакованная.

17 атомов (Магний, кобальт α, цинк, титан α, кадмий)

Дефекты кристаллической решетки

1. Точечные:

а) вакансия (узел кристаллической решетки, незанятый атомом);

- возникают при сварке (недовар или непровар сварного шва);

б) Межузельный атом (атом, расположенный в межузельном пространстве кристаллической решетки)

- возникают при поверхностной закалке (остаточные внутренние напряжения)

Дефекты исправимые

2. Линейные

- сдвиг кристаллической решетки в продольном направлении; возникают при обработке металлов давлением (при продольной прокатке). Дефекты исправимые.

3. Поверхностные (смещение верхнего слоя; возникают при свободной ковке)

Дефекты исправимые

- Объемные дефекты (литейный брак; неисправим)

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

- физические (цвет, блеск, тепло и – электропроводность, температура плавления)

- химические (взаимодействуют с кислородом, образуя оксиды; с водой – гидроксиды; со щелочами – основания; с кислотами – соли;

- механические (твердость, прочность, пластичность, упругость, ударная вязкость)

- технологические (свариваемость, обрабатываемость резанием, ковкость, жидкотекучесть, усадка).

Механические свойства металлов и методы определения.

Твердость – способность металлов сопротивляться кратковременным внешним нагрузкам и выдерживать их, не разрушаясь.

Прочность – способность металлов сопротивляться длительным внешним нагрузкам и выдерживать их, не разрушаясь.

Пластичность – способность металлов изменять форму под воздействием внешних сил, не разрушаясь.

Упругость – способность металлов восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки.

Ударная вязкость – способность металлов сопротивляться динамическим нагрузкам, т.е. ударам.

Испытание твердости:

-методом Бринелля;

-методом Роквелла;

- методом Виккерса.

Испытание твердости металлов методом Бринелля

Суть метода: в поверхность испытуемого образца вдавливается стальной закаленный шарик диаметром D , под действием нагрузки Р, приложенной в течение определенного времени. После снятия нагрузки измеряют d - диаметр отпечатка, оставленного на поверхности .

Индентор – стальной закаленный шарик диаметром 10, 5 или 2.5 мм (твердостью 450 НВ)

Нагрузка – от 2,5D² до 30D² (кгс).

Время выдержки под нагрузкой – 10, 30, 60с.

Р D d

Испытание твердости металлов по методу Роквелла

Единица измерения твердости по Роквеллу – это условная величина, соответствующая осевому перемещению наконечника, при отклонении стрелки на 0,002.

Индентор – алмазный конус с углом при вершине 120⁰ или стальной закаленный шарик диаметром 1/16 дюйма (что соответствует 1,588мм).

Р₀ – предварительная нагрузка

Р₁ – основная нагрузка

Р_{0 +} Р₁

Р₀ Р₀

120⁰ 120⁰ 120⁰

h H

Обозначение твердости	Индентор	Шкала	Основная нагрузка	Формула
HRC	Алмазный конус	A	1400 H	100-
HRA		C	500 H
HRB	Стальной шарик	B	900 H	130-

Показания при испытании на приборе Роквелла определяют по двум двум шкалам: при испытании алмазным конусом показания определяют по черной шкале, при испытании стальным шариком – по красной шкале.

Прочность материалов зависит от твердости и рассчитывается по формулам:

для стали σ_{в ст} = 0,34 НВ _ст

для чугуна σ_{в ч} = 0,1 НВ _ч

для бронзы σ_{в бр} = 0,55 НВ _бр

Определение твердости методом Виккерса

Используется для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев

Основные характеристики пластичности

- относительное удлинение и относительное сужение

Относительное удлинение σ =

Относительное сужение ψ =

Испытание на ударную вязкость

Д инамические испытания на ударный изгиб выявляют склонность металла к хрупкому разрушению. Метод основан на разрушении образца с концентратором посередине одним ударом маятникового копра. Ударная вязкость определяется работой К, необходимой для излома образца, отнесенной к рабочей площади поперечного сечения F.

Ударная вязкость обозначается буквами KCU, KCV или КСТ. Первые две буквы КС - обозначают символ ударной вязкости; Третья буква U, V или Т - вид концентратора (U - радиус концентратора 1 ± 0, 07мм; V - 0.25 ± 0, 025 мм и Т - трещина);

Размерность КС, Дж/ м².

Образец устанавливают на двух опорах, затем наносят удар по его середине со стороны, противоположной надрезу.

Работу считают по формуле (1.), затем по формуле (2.) определяют ударную вязкость.

Дать определение ударной вязкости

Рисунок - Схема маятникового копра (а) и образца (б)

1 – маятник; 2 – образец; 3 – шкала; 4 – стрела; 5 – тормоз.

К = Рh (cosβ – cosα) – формула для определения работы, затраченной на разрушение образца;

КС = К/F = Рh (cosβ – cosα) /F – формула

Аллотропия – способность металлов изменять кристаллическую решетку при изменении температуры.

Feα (железо альфа) - образуется при 727⁰C, имеет объемоцентрированную кристаллическую решетку и называется феррит.

Feγ (железо гамма) – образуется при 911⁰C, имеет гранецентрировнную кристаллическую решетку и называется аустенит.

Анизотропия – различие свойств металлов в различных направлениях

НВ

δ σ_в

В продольном направлении металлы имеют повышенную пластичность.

В поперечном направлении металлы имеют повышенную твердость и прочность.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

Практическое значение диаграммы

- показывает процессы, происходящие в сплавах

- можно определить критические точки- дает определения понятиям: сталь, чугун

- дает возможность определить температурный режим термообработки- дает возможность определить температурный режим обработки металлов давлением

Сталь – сплав железа с углеродом, содержание углерода 0,02 до 2,14%

Чугун – сплав железа с углеродом, содержание углерода 2,14 до 6.67%

т.А (15390С) – наивысшая точка диаграммы - температура плавления чистого железа

АСD – ликвидус (жидкость) - первичная кристаллизация (переход из жидкого состояния в твердое)

AECF – солидус (твердый раствор)

т.Е (2,14%С, 11470С) – делит диаграмму на две части - сталь и чугун Сталь – это сплав железа с углеродом, содержащий углерода от 0,02 до 2,14 % углерода Чугун – это сплав, железа с углеродом, содержащая углерода от 2,14 до 6, 67 %

т.S (0,8%С, 7270С) – критическая для стали. В этой точке образуется эвтектоид (перлит). Стали, содержащие углерода 0.02 – 0.8% -доэвтектоидные (обрабатываемые). Стали, содержащие углерода 0.8 – 2.14% -заэвтектоидные (обрабатывающие).

т.C (4.3%С, 11470С) – критическая для чугуна. В этой точке образуется эвтектика (ледебурит). Чугуны, содержащие углерода от 2.14 до 4.3% -доэвтектические. Чугуны, содержащие углерода от 4.3 до 6.62% -заэвтектические.

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.

Ф – Ц – А – П – Л

(фазан, цапля, аист - птицы летающие)

Ф – феррит (твердый раствор углерода в Fe_α)

Ц – цементит (химическое соединение карбид железа Fe₃C)

А – аустенит (твердый раствор углерода в Fe_γ)

П – перлит (механическая смесь феррита и цементита)

Л – ледебурит (тонкая механическая смесь аустенита и цементита)

Компонент – вещества, образующие систему (могут быть чистые металлы, неметаллы, устойчивые химические соединения)

Система – группа сплавов , выд. для изучения

Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав меняется.

Пример оформления практической работы.

Провести анализ сплава с углеродосодержанием 3,6% с описанием процесса при медленном охлаждении.

При процентном содержании углерода 3,6% сплав – чугун доэвтектический.

Первичная кристаллизация доэвтектического чугуна происходит при t⁰ 1250⁰C – образуется аустенит.

Вторичная кристаллизация - при t⁰ 1147⁰C – образуется цементит вторичный и ледебурит, расп. Аустенит.

Окончательная структура образуется при t⁰ 727⁰C - образуется перлит, ледебурит, цементит вторичный.

Примесь	Влияние
	+	-
Углерод	Возрастает твердость	Уменьшается сопротивление разрыву
Кремний	Повышает предел текучести	Уменьшение пластичности
Марганец	Повышает прочность	Уменьшает красноломкость стали
Сера	Снижает развитие трещины	Ухудшает свариваемость
Фосфор	Увеличивает временное сопротивление разрыву	Уменьшает пластичность и вязкость

Классификация сталей. Углеродистые конструкционные стали. Гост.

Сталь – сплав железа с углеродом, содержание углерода 0.02-2.14%

По назначению: - конструкционные

- инструментальные

По составу: - углеродистые( Fe,C)

- легированные (Fe,C,лег.элемент)

Углеродистые конструкционные стали.

Качество: - конструкционные качественные

- конструкционные обыкновенные

Инструментальные стали.

Качество: - инструментальные качественные

- инструментальные высококачественные

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества. Гост 380-94

М аркировка: Ст0 …Ст6 (цифра-номер по ГОСТу)

Стали доэвтектоидные

Группы:

- гр.А Ст0 …Ст6 с гарантированными механическими свойствами

- гр.Б БСт0 …БСт6 с гарантированными химическими свойствами

- гр.В ВСт0 …ВСт6 с гарантированными механическими свойствами и хим. составом

Степень раскисления:

- кп – кипящие (Ст3кп)

- пс – полуспокойные (БСт5пс)

- сп –спокойные (ВСт6сп)

Ст3 – углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества, по ГОСТу номер 3, группы А, с гарантированными механическими свойствами

ВСт6сп – углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества, по ГОСТу номер 6, группы В, с гарантированными механическими свойствами и химическим составом, по степени раскисления спокойная.

Применение:

Ст0	- Прокат сортовой и листовой, детали, изготавливаемые холодной штамповкой. Неответственные детали
Ст1	- Штампованные детали, не испытывающие больших нагрузок (болты, оси, валики)
Ст3-5	- Штыри, упоры, плиты, болты. Шпильки, рычаги, тяги. Ответственные болты, валы, оси, зубчатые колеса, штифты.
Ст6	- Шпонки, штифты конические, червяки, зубчатые колеса, валы, муфты, тормозные ленты.

Углеродистые конструкционные качественные стали. Гост 1050-88

М аркировка: Сталь 05,08,10,15,20,25,…..85 пп

Стали доэвтектоидные.

Сталь 45- углеродистая конструкционная качественная сталь, содержание углерода 0,45%.

Применение:

Сталь 10	- Детали, изготавливаемые холодной штамповкой, свариваемые детали, детали подлежащие цементации. Шайбы, прокладки, втулки.
Сталь 20	- Валы, оси, муфты, зубчатые колеса, болты.
Сталь 30	- Кованые и штампованные детали, зубчатые колеса.
Сталь 65(65Г)	- Сталь с повышенным содержанием марганца. Шайбы, пружины, тормозные диски, кольца, рессоры.
Сталь 88пп	- Повышенная прокаливаемость.

Углеродистые интсрументальные стали. Гост 1435-90

Маркировка: У7-13 – качественные, У7А-13А – высококачественные

А-высококачественная сталь

Пониженное содержание серы и фосфора

У7- углеродистая инструментальная качественная сталь, содержание углерода 0,7%.

Применение:

У7,У7А	- Слесарный инструмент
У8,У8А	- Мерительный инструмент
У9,У9А	- Штампы, матрицы, зубила
У10,У10А	- Хирургический инструмент
У12,У12А	- Ножовочные полотна, ножи, пилы
У13,У13А	- Сельскохозяйственные работы

Углерод в чугуне может находиться в связанном состоянии (в виде цементита) или в свободном (в виде графита)