Материаловедение. Технология конструкционных материалов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Е.М. Федосеева

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2013

elib.pstu.ru

УДК 620.22+669.018.29](072.8) Ф33

Рецензент:

д-р техн. наук, проф. И.Л. Синани (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);

канд. техн. наук, доц. О.А. Косолапов (Пермский военный институт внутренних войск МВД России)

Федосеева, Е.М.

Ф33 Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учеб.-метод. пособие. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2013. – 71 с.

ISBN 978-5-398-01089-3

Представлена программа курса, методические рекомендации, варианты контрольной работы, теоретические основы практического занятия, методика его выполнения и форма отчета.

Предназначено для самостоятельной работы студентов заочного обучения по направлению подготовки 190600 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» по профилю А: Автомобильный сервис, СДМ: Сервис транспортных и транспортнотехнологических машин и оборудования (Строительные, дорожные и коммунальные машины).

УДК 620.22+669.018.29](072.8)

2

elib.pstu.ru

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМОВ ЗАНЯТИЙ И ВИДОВ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ

Требования ФГОСа высшего профессионального образования, обязательные при реализации основных образовательных программ бакалавриата по направлению подготовки 190600 «Эксплуатация транспортно-технологических машин

икомплексов» по профилю А: Автомобильный сервис, СДМ: Сервис транспортных и транспортно-технологических машин и оборудования (Строительные, дорожные

икоммунальные машины)

3

elib.pstu.ru

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ К ИЗУЧЕНИЮ КУРСА «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»

Модуль 1. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

При изучении раздела обратите внимание на кристаллическое строение металлов и сплавов, основные кристаллические решетки, способность некоторых металлов и сплавов изменять тип кристаллической решетки под влиянием температуры. Уясните, что процесс кристаллизации расплава начинается с образования центров кристаллизации с последующим их ростом.

Обратите внимание на зависимость размера зерна от степени переохлаждения сплава. Заметьте, что формирование структуры сплава определяется химическим составом сплава и температурой. При кристаллизации сплава его компоненты могут образовывать твердые растворы, химические соединения или механические смеси, что оказывает влияние на механические характеристики сплава. Уясните, что на структуру и свойства сплавов оказывает влияние пластическая деформация. Нагрев деформированного металла вновь приводит к изменению структуры и свойств материала.

Обратите внимание на основные свойства металлов и сплавов: физические, химические, механические, технологические и эксплуатационные. Рассмотрите методы определения механических характеристик материалов.

Изучите влияние термической и химико-термической обработки сталей на их механические и эксплуатационные свойства.

Термическая обработка – это технологический процесс, состоящий из совокупности операций нагрева, выдержки и охлаждения изделий из металлов и сплавов, целью которого является изменение структуры и свойств в заданном направлении.

4

elib.pstu.ru

Химико-термической обработкой называют процесс, соче-

тающий в себе поверхностное насыщение стали тем или иным элементом при высокой температуре и термическое воздействие, в результате которых происходит изменение химического состава, микроструктуры и свойств поверхностных слоев деталей.

Усвойте классификацию и маркировку углеродистых и легированных сталей и чугунов, фазовые и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов. Особое внимание обратите на диаграмму железо – цементит, основные критические точки на диаграмме и линии, характеризующие фазовое изменение сплавов.

Литература: [1], разд. 2, гл. I VIII, с. 81 217; [2], разд. 1, с. 7 17; [5], гл. 2, с. 41 57; гл. 3, с. 100 113;

гл. 4, с. 131 147; гл. 5, с. 158 171.

В раздел «Материаловедение» кроме конструкционных металлов и сплавов включены резина и пластмассы.

Резиновые материалы, полученные в результате специальной переработки каучука, обладают рядом ценных свойств: высокой эластичностью, упругостью, амортизирующей способностью, сопротивлением истиранию и многократному изгибу, стойкостью к действию жидкого топлива и масел, хорошей уплотняющей способностью, газо- и водонепроницаемостью, электроизоляционностьюи др.

Следует обратить внимание на состав и классификацию резин, виды каучуков и способы получения резинотехнических изделий.

К особому классу конструкционных материалов относят пластмассы. Пластмассы это сложные композиции на основе полимеров (высокомолекулярных веществ). Некоторые пластмассы обладают хорошей удельной прочностью, фрикционностью, прозрачностью, электроизоляционностью, теплозвукоизоляционностью, химической стойкостью и т.д. Требуемые эксплуатационные свойства пластмасс получают благодаря подбору отдельных компонентов и их определенному сочетанию.

Обратите внимание на классификацию пластмасс по различным признакам и способы получения изделий из пластмасс.

5

elib.pstu.ru

Модуль II. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1. ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Усвойте теоретические и технологические основы производства материалов, применяемых в машиностроении и приборостроении. Ознакомьтесь с основными способами получения твердых тел.

1.1. Физико-химические основы металлургического производства

Для производства черных и цветных металлов и сплавов используют металлургические руды, флюсы, топливо и огнеупорные материалы. Обратите внимание на руды, применяемые при выплавке сплавов, их состав и подготовку к плавке.

Ознакомьтесь с материалами, используемыми в качестве флюсов при производстве чугуна и стали. Уясните выбор флюсов в зависимости от применяемых в производстве плавильных печей (кислых или основных) и изучите управление процессами удаления вредных примесей из расплавов.

Облицовку (футеровку) металлургических печей и ковшей для разливки металла делают из огнеупорных материалов, поэтому нужно хорошо знатьих состав, огнеупорностьи области применения.

Литература: [2], разд. 2, гл. 1, с. 25 27; [3], разд. 1, гл. I, с. 9 12.

1.2. Производство чугуна

Чугун выплавляют в высокопроизводительных агрегатах доменных печах. Изучите устройство доменной печи и принцип ее работы. При сгорании кокса в доменной печи выделяется теплота. Газовый поток, поднимаясь вверх, прогревает шихту до температуры 570 С, прикоторойначинаетсяпроцесс восстановленияоксидовжелеза.

Рассматривая процессы доменной плавки, изучите процессы восстановления оксидов железа, кремния, марганца, фосфора и серы, процессы образования чугуна и шлака, выпуск чугуна и шлаков

6

elib.pstu.ru

из доменной печи. Обратите особое внимание на продукты доменной плавки и их использование в народном хозяйстве.

Литература: [1], разд. 1, гл. 1, с. 16 30; [2], разд. 2, гл. 2, с. 27 32; [3], разд. 1, гл. II, с. 12 25; [5], разд. 1, гл. 1, с. 14 22.

1.3. Производство стали

Процесс производства стали основан на снижении процентного содержания углерода и примесей, имеющихся в передельном чугуне, и переводе их в шлаки и газы в процессе плавки. Уясните сущность процессов удаления примесей, при этом обратите внимание на роль шлаков в управлении металлургическим процессом.

Кислородно-конверторный процесс наиболее экономичный способ производства стали. Ознакомьтесь с устройством современных кислородных конверторов и принципом их работы. Рассмотрите шихтовые материалы конверторного производства и технологию плавки, обратив внимание на окислительный период плавки и раскисление стали.

Изучая производство высококачественных, инструментальных

ивысоколегированных сталей в дуговых электрических печах, ознакомьтесь с их устройством и принципом работы.

Ознакомьтесь с устройством и принципом работы индукционных электрических печей. В индукционных печах сталь получают переплавом или оплавлением шихтовых материалов. Уясните особенности этих процессов.

Изучая процессы разливки стали, ознакомьтесь с устройством разливочного ковша, изложниц и установок непрерывной разливки стали. Рассмотрите схемы процессов. Обратите внимание на качество слитков.

По степени раскисления стали делят на спокойные, кипящие

иполуспокойные. Изучите процесс кристаллизации слитков и их строение. Обратите внимание на возможные дефекты и меры их предупреждения.

7

elib.pstu.ru

В настоящее время в металлургическом производстве широко применяют новые технологические способы повышения качества сталей: обработку стали синтетическими шлаками, вакуумированием при разливке, электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумнодуговой переплав (ВДП) и др. Обратите внимание на сущность и схемы процессов, технологические возможности способов и области применения.

Литература: [1], разд. 1, гл. II, с. 30 63; [2], разд. 1, гл. 3, с. 32 48; [3], разд. 1, гл. III, с. 26 43; [5], разд. 1, гл. 2, с. 22 41.

2. СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

2.1. Технология изготовления изделий методом порошковой металлургии

Рассматривая порошковую металлургию как технологический метод, следует отметить его основную особенность применение исходного сырья в виде порошков. Основные этапы этого метода: получение и подготовка порошков; формообразование изделий прессованием; термическая обработка, или спекание спрессованных изделий. При этом технологический процесс на каждом этапе формирует определенные свойства получаемых изделий. Так, например, на первом этапе текучесть, прессуемость, спекаемость и влияние на них различных факторов.

Основные способы формообразования изделий из порошков прокатка и прессование, имеющие ряд разновидностей. Обратите внимание на положительные и отрицательные стороны способов прессования, так как от этого зависят особенности конструкции деталей.

Завершающая операция спекание изделий – производится для получения необходимой прочности изделий. Технология порошковой металлургии позволяет получать детали с уникальными

8

elib.pstu.ru

свойствами: высокой твердостью и износостойкостью, специальными электрическими и электромагнитными свойствами, с низкими или высокими коэффициентами трения, высокой пористостью.

Литература: [1], разд. 7, гл. I, II, c. 707 712; [2], разд. 6, гл. 21, с. 321 328.

2.2. Основы технологии формообразования отливок из черных и цветных сплавов

2.2.1. Общая характеристика литейного производства

Основная продукция литейного производства сложные (фасонные) заготовки деталей, называемые отливками. Отливки получают заливкой расплавленного металла в литейную форму, внутренняя рабочая полость которой имеет конфигурацию отливки. После затвердевания и охлаждения отливку извлекают из литейной формы, при этом форму разрушают (разовая литейная форма) или разбирают на части для повторного использования (многократнаялитейная форма).

Отливки получают литьем в песчаную литейную форму, оболочковую литейную форму, по выплавляемым моделям, в кокиль, под давлением, центробежным литьем и другими способами. Выбор способа литья определяется его технологическими возможностями и технико-экономическими показателями.

Наиболее универсальным, но менее точным является способ литья в песчаную форму. Специальными методами литья получают отливки повышенной точности, более высокого класса шероховатости поверхности и с минимальными припусками на механическую обработку.

Основное достоинство формообразования заготовок литьем, которое выгодно отличает его от других методов формообразования заготовок, возможность получения разнообразных по массе заготовок практически любой сложности непосредственно из жидкого металла.

Литература: [1], разд. 3, гл. I, с. 329 331; [2], разд. 3, гл. 2, с. 147–150; [5], гл. 1, с. 4 13.

9

elib.pstu.ru

2.2.2. Физические основы производства отливок

Качество отливки во многом определяется процессами взаимодействия литейной формы и отливки. Это взаимодействие силовое, тепловое, химическое – проявляется во время заливки литейной формы раcплавом и затвердевания отливки. Силовое воздействие струи расплава при заливке может привести к размыву участков формы и возникновению дефектов отливки. Тепловое взаимодействие, проявляющееся в охлаждении металла и нагреве формы, вызывает расширение рабочего слоя формы, выделение газов из формы и стержней. Химическое взаимодействие проявляется в образовании химических соединений на поверхности контакта отливка форма.

Литейные свойства сплавов, которые характеризуют поведение сплава в процессе изготовления отливок, следует рассматривать с учетом взаимодействия литейной формы и отливки.

Изучите основные литейные свойства сплавов: жидкотекучесть, усадку, склонность к трещинообразованию и газопоглощению, ликвацию. Запомните, к каким дефектам приводят низкие показатели литейных свойств и какие технологические меры используют для предупреждения образования дефектов.

Важной предпосылкой получения отливок без дефектов является правильная конструкция отливки. Изучите особенности конструирования отливок с учетом литейных свойств сплавов.

Литература: [1], разд. 3, гл. IV, с. 372 373; [2], разд. 3, гл. 2, с. 152 157; [3], разд. 3, гл. XVI, с. 240 241; [5], гл. 1, с. 4 13.

2.2.3. Способы изготовления отливок

Существуют различные способы изготовления отливок:

1. Изготовление отливок в песчаных литейных формах. Рас-

смотрите последовательность изготовления отливки в песчаной литейной форме. Для изготовления песчаной литейной формы используют модельный комплект, опочную оснастку и формовочные материалы.

10

elib.pstu.ru