156

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение ВПО “Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия” (СибАДИ)

Кафедра “Конструкционные материалы и специальные технологии”

Материаловедение

Методические указанаия, задания к контрольным работам, перечень лабораторных работ, список рекомендуемой литературы

для студентов дневного и заочного обучения

Составители: Ю.К. Корзунин, В.П. Расщупкин

Омск, 2009 г.

УДК 621.1 ББК 34.47

Рецензент канд. техн. наук, доцент. Гарибян Г.С.

Работаодобренаметодическойкомиссиейфакультета“Автомобильный транспорт” в качестве методических указаний по изучению курса “Материаловедение” для студентов специальностей 050501; 140501; 140607; 190201; 190205; 190601; 190603; 190701; 220301; 220501; 270102; 270105; 270113; 270201.

Материаловедение. Методические указанаия, задания к контрольным работам, перечень лабораторных работ, список рекомендуемой литературы для студентов дневного и заочного обучения / Сост.: Ю.К. Корзунин, В.П. Расщупкин. - Омск: СибАДИ, 2009. - 32 с.

В методических указаниях даны рекомендации по изучению основных разделов дисциплины “Материаловедение”. Приведены 50 вариантов заданий для самостоятельного выполнения и список рекомендуемой литературы.

Библиогр.: 5 назв.

©Составители: Ю.К. Корзунин, В.П. Расщупкин

©СибАДИ, 2009

ВВЕДЕНИЕ

Выпуск разнообразных современных машиностроительных конструкций, специальных приборов, машин и аппаратуры невозможны без производства традиционных и изыскания новых материалов, как металлических, так и неметаллических.

Материаловедение является одной из первых инженерных дисциплин, основы которой широко используются при курсовом и дипломном проектировании, а также в практической деятельности инженера любой специальности.

Прогресс в промышленности тесно связан с созданием и освоением новых, наиболее экономичных материалов, обладающих самыми разнообразными механическими и физико-химическими свойствами.

Причтении лекций и при выполнении лабораторных работпредусматривается использование электронной версии учебника по изучаемой дисциплине

вкомпьютерном классе.

Впособии учтены рекомендации учебно-методического управления по высшему образованию.

1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ОСНОВНЫХ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ

1.1.МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

1.1.1.СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Металловедение как наука о свойствах металлов и сплавов. Типы связей втвердыхтелах.Атомно-кристаллическоестроениеметаллов.Процесскрис- таллизации.

Рассмотрите типы связей в твердых телах, основное внимание обратите на особый тип металлической связи, который обуславливает отличительные свойства металлов: высокую электропроводность и теплопроводность, высокую пластичность и металлический блеск. Металлические тела характеризуются кристаллическим строением.

Однако свойства реальных кристаллов определяются известными несовершенствами кристаллического строения. В связи с этим необходимо разобраться в видах несовершенств, особенно в строении дислокаций, причинах их легкого перемещения в кристаллической решетке и их влиянии на механические свойства.

Термодинамические причины фазовых превращений являются одним из частных случаев общего закона природы - стремления любой системы к состоянию с наименьшим запасом энергии (в данном случае - свободной энергии). Уясните теоретические основы процесса кристаллизации, состоящего из двух элементарных процессов - зарождения и роста кристаллов; их влияние

3

на эти параметры степени переохлаждения. В процессе кристаллизации при формировании структуры литого металла решающее значение имеет реальная среда, а также возможность воздействия на строение сплава путем модифицирования.

1.1.2. ТЕОРИЯ СПЛАВОВ

Сплавы, виды взаимодействия компонентов в твердом состоянии. Диаграммы состояния для случаев полной нерастворимости, неограниченной и ограниченной растворимости компонентов в твердом виде, а также для случая образования устойчивого химического соединения.

Необходимоотчетливопредставлятьстроениеметалловисплавоввтвердом состоянии. Обратите внимание на понятия «твердый раствор», «химическое соединение», «фаза», «структура». Наглядное представление о состоянии любого сплава в зависимости от его состава и температуры дают диаграммы состояния. Нужно усвоить общую методику построения диаграмм состояния для различных случаев взаимодействия компонентов.

При изучении диаграмм состояния нужно уметь применять правило отрезков (для определения доли каждой фазы или структурной составляющей в сплаве), правило фаз (для построения кривых охлаждения), определять химическийсоставфаз.СпомощьюправилКурнакованужноуметьустанавливатьсвязь между составом, строением и свойствами сплава.

1.1.3. ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Напряжения и деформация. Механические свойства: твердость и характеристики, определяемые при растяжении, ударная вязкость и сопротивление усталости.

Рассмотрите физическую природу деформации и разрушения. Внимание уделите механизму пластической деформации, ее влиянию на микро- и субмикроструктуру, а также на плотность дислокаций. Уясните связь между строением и механическими свойствами. Разберитесь в сущности явления наклепа и его практическом использовании.

Изучите основные методы оценки механических свойств металлов и физический смысл характеристик, определяемых при различных методах испытаний. Обратите внимание, что свойства, оцененные на гладких образцах, не совпадают со свойствами готового изделия. Это обусловлено наличием в реальных деталях концентраторов напряжений (отверстия, канавки и т. д.}, а также различием в характере напряженного состояния образца и детали. Отсюда вытекает важность испытаний образцов с надрезами, позволяющих приблизить условия испытаний к условиям эксплуатации материала и получить результаты, характеризующие его реальную конструкционную прочность.

4

1.1.4. ВЛИЯНИЕ НАГРЕВА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ДЕФОРМИРОВАННОГО МЕТАЛЛА

Необходимо знать сущность рекристаллизационных процессов: возврата, первичной рекристаллизации, собирательной рекристаллизации, протекающих при нагреве деформированного металла. Уясните, как при этом изменяются механические свойства и размер зерна. Установите влияние состава сплава и степени пластической деформации на протекание рекристаллизационных процессов. Научитесь выбирать режим рекристаллизационного отжига. Уясните его практическое значение, различие между холодной и горячей пластическими деформациями.

1.1.5. ЖЕЛЕЗО И ЕГО СПЛАВЫ

Диаграмма железо-цементит. Классификация железоуглеродистых сплавов. Фазы, образуемые легирующими элементами в сплавах на основе железа. Структурные классы легированных сталей. Чугуны.

Научитесьвычерчиватьдиаграммусостоянияжелезо-цементитиопреде- лятьвсефазыиструктурныесоставляющиеэтойсистемы.Спомощьюправила фаз постройте кривые охлаждения конкретных сплавов, укажите, какие протекают превращения и какая сформируется структура. Разберитесь в классификации железоуглеродистых сплавов и усвойте различие между тремя классами этих сплавов: техническое железо, сталь, чугун. Это различие не только количественное (по содержанию углерода); разные классы сплавов отличаются по структуре и свойствам.

Изучите влияние легирующих элементов на критические точки железа и сталей и объясните, при каком состоянии углерода и легирующего элемента могут быть получены легированные стали ферритного, перлитного, аустенитного и ледебуритного классов.

Уяснитепринципиальноеразличиебелыхиграфитизированныхчугунов. Изучите физическую сущность процессов графитизации. Оцените влияние примесей на строение чугунов и разберитесь с их структурой. Запомните основные механические свойства и назначение чугунов, а также их маркировку. Обратите внимание на способы получения ковких и высокопрочных чугунов.

1.1.6. ТЕОРИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

Превращения в стали при нагреве. Изотермическое превращение переохлажденного аустенита. Превращение переохлажденного аустенита при непрерывном охлаждении. Мартенситное превращение и его особенности. Превращения при отпуске закаленной стали.

Теория и практика термической обработки стали - главные вопросы металловедения. Термическая обработка - один из основных способов влияния на строение, а следовательно, и на свойства сплавов.

5

При изучении превращений переохлажденного аустенита особое внимание обратите на диаграмму изотермического распада, устанавливающую связь между температурными условиями превращения, интенсивностью распада и строением продуктов превращения.

Разберитесь в механике и особенностях перлитного, промежуточного и мартенситного превращений. Уясните строение и свойства перлита, сорбита, троостита, бейнита, мартенсита и особенно различие и сходство одноименных структур, получаемых при распаде аустенита и отпуске закаленной стали. Запомните практическое значение термокинетических диаграмм.

Изучите влияние легирующих элементов на кинетику и характер превращения аустенита в перлитной, промежуточной и мартенситной областях. В связи с влиянием легирующих элементов на диаграммы изотермического распада аустенита рассмотрите причины получения различных классов сталей по структуре (перлитного, мартенситного, аустенитного). Уясните влияние легирующих элементов на превращения при отпуске. Запомните, что легирующие элементы, как правило, затормаживают процессы превращений.

1.1.7. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Основные виды термической обработки стали. Отжиг, нормализация, закалка, обработка холодом. Закаливаемость и прокаливаемостъ стали. Отпуск стали. Поверхностная закалка.

Уясните влияние скорости охлаждения на структуру и свойства стали, физическую сущность процессов отжига, нормализации, закалки и обработки холодом. При изучении технологических процессов термической обработки обратите внимание на разновидность режимов и их назначение. Для выяснения причинбрака при термической обработкестали следует преждевсегоразобраться в природе термических и фазовых напряжений.

Уясните различие между закаливаемостью и прокаливаемостью стали, а также факторы, влияющие на эти характеристики. Разберитесь в способе упрочнения сталей термомеханической обработкой.

Усвойте, что различные виды поверхностной закалки позволяют получать особое сочетание свойств поверхностного слоя и сердцевины изделия, что приводит к повышению его эксплуатационных характеристик. При изучении индукционной закалки уясните связь между глубиной закаленного слоя и частотой тока.

1.1.8. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Физические основы химико-термической обработки. Цементация. Азотирование. Нитроцементация. Диффузионная металлизация.

Приизученииосновхимико-термическойобработкиследуетисходитьиз того, что принципы различных видов этих обработок едины. Процесс химикотермической обработки состоит из выделения атомов насыщающего вещества

6

внешней средой, захвата (абсорбции) этих атомов поверхностью металла и диффузии их внутрь металла. Поэтому рассмотрите реакции в газовой среде при цементации или азотировании и разберитесь в механизме формирования структуры поверхностного слоя. В большинстве случаев насыщение может происходить из твердой, жидкой и газовых сред, а поэтому нужно знать наиболее удачные варианты насыщения для каждого метода химико-термической обработки и конечные результаты (поверхностное упрочнение и изменение физико-химических свойств).

Разберитесь в технологии проведения отдельных видов химикотермической обработки. Уясните преимущества и области использования цементации, азотирования, нитроцементации и различных видов диффузионной металлизации.

1.1.9. КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

Конструкционные стали общего назначения. Цементуемые, улучшаемые; пружинно-рессорные и износостойкие.

Высокопрочные мартенситостареющие стали. Коррозионностойкие и жаростойкие стали и сплавы. Жаропрочные стали и сплавы.

Необходимоусвоитьпринципы маркировкисталейиуметьпомаркировке определять состав и особенности сталей.

Разберитесь во влиянии легирующих элементов на изменение структуры исвойств стали, особое внимание уделитетехнологическимособенностям термической обработки сталей различных групп.

Рассмотрите классификации сталей по структуре в нормализованном состоянии и по назначению, уясните основные принципы выбора сталей различного назначения.

При изучении коррозионно-стойких сталей разберитесь с явлениями химической и электрохимической коррозии.

При изучении жаропрочных сталей обратите внимание на особенности поведения в условиях нагружения при повышенных температурах. Уясните сущность ползучести и основные характеристики жаропрочности. Запомните предельные рабочие температуры и области применения сталей различного структурного класса.

В качестве примеров следует указать две-три марки сталей каждой группы,расшифроватьсостав,назначитьтермическуюобработку,охарактеризовать структуру, свойства и область применения.

1.1.10. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

Классификация и маркировка инструментальных сталей. Стали, не обладающие и обладающие теплостойкостью. Стали для режущего, измерительного и штампового инструмента. Твердые сплавы. Металлокерамика.

7

Изучите классификацию инструментальных сталей в зависимости от назначения и в связи с этим рассмотрите основные эксплуатационные свойства инструмента каждой группы. Особое внимание уделите быстрорежущим сталям. Уясните причины их высокой теплостойкости и особенности термической обработки.

При изучении штамповых сталей необходимо различать условия работы штампов для деформирования в холодном состоянии и штампов для деформирования в горячем состоянии. Разберитесь с группами твердых сплавов, их структурой и назначением.

Студентобязануметьвыбиратьмаркусталидляинструментаразличного назначения,расшифроватьеесостав,назначитьрежимтермическойобработки, объяснить сущность происходящих при термической обработке превращений

иуказать получаемые структуру и свойства.

1.1.11.СПЕЦИАЛЬНЫЕ СТАЛИ

В этом разделе изучить стали и сплавы, обладающие особыми физическими свойствами — магнитные, с заданными коэффициентами теплового расширения, упругости и электрическим сопротивлением.

Необходимо знать требования, предъявляемые каждой группе сплавов и их назначение. В качестве примеров укажите две-три марки стали или сплава каждой группы, их состав и особенности свойств.

1.1.12. АЛЮМИНИЙ, ТИТАН, МАГНИЙ И ИХ СПЛАВЫ

Деформируемые и литейные сплавы.

Обратите внимание на основные преимущества этих сплавов, связанных с малым удельным весом и высокой удельной прочностью. Рассмотрите классификацию этих сплавов и способы их упрочнения. Разберитесь в основах теории термической обработки этих сплавов (закалка и старение), маркировке, составе, свойствах и применении этих сплавов.

1.1.13. МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ

Латуни и бронзы.

Изучите классификацию медных сплавов и уясните маркировку, состав, структуру, свойства и области применения каждой группы сплавов.

1.1.14. ЦИНК, ОЛОВО, СВИНЕЦ И ИХ СПЛАВЫ

Основное внимание обратите на области применения этих сплавов. Укажите, каким должно быть строение антифрикционных сплавов в связи с предъ-

8

явленными к ним требованиями. Выясните требования, предъявляемые к припоям, приведите их состав, свойства и назначение.

1.1.15. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Обратите внимание на принципиальное отличие композиционного материала от известных материалов. Оно заключается в сочетании разнообразных материалов с четкой границей раздела между ними. В связи с этим композиты обладают свойствами, которыми не может обладать ни один из компонентов в отдельности. Укажите свойства композитов в зависимости от вида матрицы, а также от формы, размеров и взаимного расположения наполнителя. Выясните возможные области использования этих материалов.

1.2. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Общие сведения о неметаллических материалах и перспективах их использования.

1.2.1. ПЛАСТИЧЕСКИЕ, МАССЫ

Классификация полимерных материалов. Свойства и области применения пластмасс.

В основе пластмасс лежат полимеры. Обратите внимание на особенности строения полимеров, которые определяют их механические и физикохимические свойства. Классификацию пластмасс рассмотрите с учетом особенностей и состава их строения.

Пластмассы - искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ, которые являются обязательными компонентами пластмасс. Изучите различные группы пластических масс, их свойства и области применения.

1.2.2. РЕЗИНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Резина отличается от других материалов высокими эластичными свойствами, что обусловлено свойствами основы резины - каучука. Уясните состав резины,способыполучения,влияниедобавокнаеесвойства,областиприменения. Обратите внимание на клеящие материалы и герметики, в основе которых лежат полимеры и каучук.

9

1.2.3. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

К этим материалам относятся графит, неорганические стекла, ситаллы, керамика.Разберитесьсособенностямистроения,состава,физико-химических свойств и с применением этих групп материалов.

1.2.4. ДРЕВЕСНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Ознакомьтесь со строением древесины, ее достоинствами и недостатками как конструкционного материала. Выясните возможности применения древесных материалов в различных отраслях промышленности.

2.КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ

2.1.МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

Задания на контрольные работы выдаются индивидуально каждому студенту в соответствии с рабочими программами и учебными планами.

Каждый вариант задания состоит из вопросов и задач по основным разделам дисциплины.

При выполнении контрольных работ студенты должны проявить знание теоретическихосновдисциплины,умениевыбиратьметаллическиематериалы для изготовления различных изделий и назначать им термическую обработку, а также ознакомиться с особенностями состава, строения и областями применения наиболее распространенных неметаллических материалов.

Номервариантаконтрольнойработыберетсяподвумпоследнимцифрам зачетной книжки студента. Если номер превышает 50, тогда из номера зачетной книжки отнимается 50. Например: последние две цифры номера зачетной книжки 96, тогда номер варианта будет (96-50) = 46.

Для выполнения контрольных работ приводится список рекомендуемой литературы.

2.1.1. ЗАДАНИЯ К КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЕ

Вариант 1

1.Объяснитесущностьявлениядендритнойликвациииметодыееустра-

нения.

2.Какими стандартными характеристиками механических свойств оценивается пластичность металлов и сплавов? Как они определяются?

3.Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа; укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы; опишите превраще-

10