2.2. Неметаллические материалы

Среди неметаллических материалов очень важны синтетические полимерные материалы. К ним относятся различные пластмассы, пленки, волокна, резины, клеи и лакокрасочные материалы. При изучении их структуры необходимо обратить внимание на форму элементарных звеньев и расположение химических связей и звеньев макромолекул.

Важно четко представлять, что полимер – химическое вещество специфического строения, а полимерный материал – технический продукт, изготовленный из полимера или на его основе.

Полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, эластичном и текучем, причем состояние полимера обусловлено его структурой и температурой.

Свойства полимеров зависят от их химического состава (карбоцепные, гетероцепные, элементоорганические), а также от количественного соотношения атомов в молекуле и их сочетания. Например, замена водорода углеводородным радикалом приводит к увеличению эластичности и морозостойкости и снижению прочности, твердости и теплостойкости.

Необходимо помнить, что ни одна отрасль техники не обходится без применения синтетических полимерных материалов. Следует усвоить принципы классификации синтетических смол и пластмасс в зависимости от реакции получения полимера, назначения и его структуры, а также от физико-механических свойств (модуля упругости).

Важно уметь оценивать эксплуатационные свойства пластмасс, так как в ряде случаев они с успехом заменяют другие, в том числе металлические материалы, а часто являются и незаменимыми. Стекловолокнистый анизотропный материал (СВАМ), например, превышает по удельной прочности сталь, титан и дюралюминий; политетрафторэтилен (фторопласт, или тефлон) обладает высокими диэлектрическими свойствами, а ретинакс – высокими фрикционными свойствами и т. д.

Следует обратить внимание на новые способы получения полимерных материалов (радиационная полимеризация, получение ионообменных смол – ионитов, металлопластов, ориентация молекул).

Необходимо выявить роль защитных покрытий металлических и неметаллических изделий, изучить классификацию покрытий, технические требования к ним и определить технико-экономическую эффективность их применения как средства борьбы с коррозией металлов на железнодорожном транспорте. Важно знать, где и почему на железнодорожном транспорте применяются полимерные материалы, и в чем состоит технико-экономическая эффективность их применения.

3. Задания для контрольной работы № 1

Номера заданий студент должен выбрать в соответствии с данными, приведенными в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Задания к контрольным работам по материаловедению

№ варианта (две последние цифры шифра)	Задания к контрольным работам
	№ 1	№ 2	№ 3
20, 40, 60, 80, 100	1, 31, 61,	21, 51, 81,	101, 131, 161
19, 39, 59, 79, 99	2, 32, 62,	22, 52, 82,	102, 132, 162
18, 38, 58, 78, 98	3, 33, 63,	23, 53, 83	103, 133, 163,
17, 37, 57, 77, 97	4, 34, 64,	24, 54, 84,	104, 134, 164
16, 36, 56, 76, 96	5, 35, 65,	25, 55, 85,	105, 135, 165
15, 35, 55, 75, 95	6, 36, 66	26, 56, 86,	106, 136, 166,
14, 34, 54, 74, 94	7, 37, 67	27, 57, 87,	107, 137, 167,
13, 33, 53, 73, 93	8, 38, 68,	28, 58, 78,	108, 138, 168,
12, 32, 52, 72, 92	9, 39, 69,	29, 59, 89,	109, 139, 169,
11, 31, 51, 71, 91	10, 40, 70,	30, 60, 90	110, 140, 170,
10, 30, 50, 70, 90	11, 41, 71,	91, 121, 151	111, 141, 171,
9, 29, 49, 69, 89	12, 42, 72,	92, 122, 152,	112, 142, 172,
8, 28, 48, 68, 88	13, 43, 73,	93, 123, 153,	113, 143, 173,
7, 27, 47, 67, 87	14, 44, 74	94, 124, 154,	114, 154, 174,
6, 26, 46, 66, 86	15, 45, 75,	95, 125, 155,	115, 145, 175,
5, 25, 45, 65, 85	16, 46, 76,	96, 126, 156,	116, 146, 176,
4, 24, 44, 64, 84	17, 47, 77,	97, 127, 157,	117, 147, 177,
3, 23, 43, 63, 83	18, 48, 78,	98, 128, 158,	118, 148, 179,
2, 22, 42, 62, 82	19, 49, 79,	99, 129, 159,	119, 149, 179,
1, 21, 41, 61, 81	20, 50, 80,	100, 130, 160,	120, 150, 180

1. Изложите принципы современной классификации металлов. Охарактеризуйте признаки, по которым металлы относят к той или иной группе. Приведите примеры их применения.

2. Опишите процесс первичной кристаллизации металлов. Как определяют критический размер зародыша? Приведите схему роста грани кристалла.

3. В чем отличие кипящей стали от спокойной? Когда и какую из них рекомендуется применять?

4. Приведите схему изменения микроструктуры стали в результате пластической деформации. В чем практическое значение анизотропии механических свойств?

5. Изобразите схематически различные формы графита в сером чугуне. Как влияет форма графитных включений на механические свойства чугуна?

6. Опишите способы определения критических точек в стали (термический анализ). В чем практическое значение определения критических точек?

7. Что представляет собой микроструктура металлов? Как она определяется и в чем ее практическое значение? Приведите примеры.

8. Что такое элементарная кристаллическая ячейка в металле? Дайте характеристику типов пространственных кристаллических решеток металлов. Каково их значение?

9. Каковы особенности жидкого состояния металлов? Приведите условия образования и роста зародышей кристаллов.

10. Что представляет собой субмикроструктура металлов? В чем практическое значение размера зерна?

11. Какую роль в процессе кристаллизации металлов играет число центров и скорость роста кристаллов? Приведите схему процесса кристаллизации.

12. Какие типы кристаллических решеток характерны для металлов? Опишите их.

13. Постройте кривую охлаждения железа и поясните значение критических точек. В чем сущность полиморфных превращений в железе?

14. Несовершенства строения реальных кристаллов. Опишите способы упрочнения наклепом.

15. Приведите схему строения дендрита. Объясните явление дендритной (внутрикристаллитной) ликвации. В чем его практическое значение?

16. Приведите схему строения стального слитка. В чем сущность ликвации по плотности и физической неоднородности? Каково их практическое значение?

17. Какие виды взаимодействия компонентов в сплаве существуют? Приведите условия их образования.

18. Приведите диаграмму состояний сплавов, образующих ограниченные твердые растворы. В чем заключается принцип построения диаграммы состояний?

19. С помощью кривых охлаждения постройте диаграмму состояний сплавов, не образующих твердых растворов, и на ее примере поясните правило фаз.

20. С помощью кривых охлаждения постройте диаграмму состояний сплавов, образующих твердые растворы с неограниченной растворимостью, и на ее примере объясните правило отрезков.

21. Приведите характеристику фаз и структурных составляющих диаграммы состояний железо–цементит. В чем практическое значение этой диаграммы?

22. В чем сущность полиморфных превращений в железе с точки зрения их практического значения для термической обработки стали?

23. Что такое вторичная кристаллизация в стали? В чем ее практическое значение? Приведите примеры.

24. Какова связь между строением сплавов, видом диаграммы состояний и свойствами этих сплавов? Приведите конкретные примеры, отметив практическое значение закона Н. С. Курнакова.

25. Какие нормальные примеси и почему влияют на свойства сталей? Объясните явления красноломкости и хладноломкости стали.

26. Каково влияние углерода и кремния на образование структуры чугуна? Приведите примеры применения серого чугуна на железнодорожном транспорте.

27. Как влияют газы (азот, кислород, водород) и неметаллические включения на структуру и свойства стали? Приведите примеры.

28. Как классифицируются по ГОСТам конструкционные углеродистые стали? Где на железнодорожном транспорте они применяются?

29. Дайте характеристику инструментальных углеродистых сталей. Как они маркируются по ГОСТу? Приведите примеры их использования.

30. Как определяются характеристики основных механических свойств металлов: прочность, пластичность, ударная вязкость? Приведите необходимые расчетные схемы и формулы.

31. Каковы способы измерения твердости металлов? Приведите необходимые схемы и формулы. В чем практическое значение определения твердости?

32. Дайте определение усталости металлов. Как определяется предел выносливости? Какие меры применяются для повышения выносливости металлов? Приведите примеры из области железнодорожного транспорта.

33. Особые физические свойства сталей и сплавов. В чем они заключаются?

34. В чем сущность модифицирования чугуна с пластинчатым и шаровидным графитом? Как изменяются при этом структура и свойства чугуна? Приведите примеры.

35. В чем сущность превращения аустенита в перлит при непрерывном охлаждении стали? Когда это превращение важно практически?

36. Приведите характеристику этапов термической обработки стали: нагрева, выдержки, охлаждения. Какие факторы влияют на их выбор и почему?

37. Как и с какой целью осуществляется азотирование и цианирование стали? Какие детали подвергаются цианированию?

38. В чем сущность превращения перлита в аустенит при нагреве эвтектоидной стали? В чем практическое значение этого превращения?

39. В каких случаях и с какой целью применяют термическую обработку чугуна? В чем ее практическое значение? Приведите примеры.

40. Термомеханическая обработка стали. В чем ее практическое значение?

41. Каковы причины, вызывающие термические и структурные напряжения при закалке стали на мартенсит? В чем их практическое значение?

42. Что такое нормализация и гомогенизация стали? В чем их практическое значение?

43. Приведите диаграмму изотермического распада аустенита эвтектоидной стали. В чем ее практическое значение?

44. На диаграмме изотермического распада аустенита постройте график изотермической закалки эвтектоидной стали. В чем преимущества изотермической закалки перед закалкой на мартенсит?

45. Приведите диаграмму изотермического распада аустенита для до- и заэвтектоидной стали. Каково влияние углерода и легирующих элементов на положение кривых начала и конца распада аустенита? В чем практическое значение этого влияния?

46. В чем сущность мартенситного превращения? Что такое обработка холодом? В чем ее практическое значение?

47. Что такое мартенсит и как он образуется в стали? Каково влияние углерода и легирующих элементов на положение мартенситных точек?

48. На диаграмме изотермического распада аустенита покажите критическую скорость закалки. От чего она зависит и в чем ее практическое значение?

49. От каких факторов зависит окисление и обезуглероживание поверхности стали при нагреве? Опишите меры защиты от этих явлений, дайте характеристику защитных сред.

50. Опишите изменения в структуре стали при полном отжиге. Приведите примеры отжига деталей подвижного состава.

51. Объясните, какие изменения происходят в структуре стали при неполном отжиге. Приведите примеры отжига.

52. Как правильно выбрать температуру закалки на мартенсит для до- и заэвтектоидной углеродистой сталей? Опишите превращения, происходящие в структуре при закалке.

53. В чем сущность закаливаемости и прокаливаемости стали? Как определяется прокаливаемость и в чем ее практическое значение?

54. С какой целью и как осуществляется поверхностная закалка стали? Опишите превращения, происходящие в поверхностном слое. Приведите примеры.

55. Опишите превращения, происходящие при отпуске углеродистой стали, закаленной на мартенсит. В чем практическое значение отпуска? Приведите примеры.

56. Объясните явление рекристаллизации деформированного металла при нагреве. Приведите схему изменения структуры и свойств металла в процессе рекристаллизации.

57. Как изменяются строение и механические свойства металлов в процессе пластической деформации? Что такое возврат (отдых) и каково его практическое значение?

58. В чем сущность и каковы принципы химико-термической обработки стали? Какие стали и какие детали подвижного состава и машин целесообразно подвергать химико-термической обработке и почему?

59. Объясните, какие превращения происходят в структуре стали при цементации и нитроцементации. В чем практическое значение цементации? Какие детали подвергают этой обработке?

60. Как осуществляется термодиффузионное насыщение поверхности стали металлами: хромом, кремнием, алюминием, бором? В чем его практическое значение? Какие детали подвижного состава целесообразно подвергать этой обработке?

61–90. По диаграмме состояний железо–цементит опишите, какие структурные и фазовые превращения будут происходить при медленном охлаждении из жидкого состояния сплава с заданным содержанием углерода. Охарактеризуйте этот сплав и определите для него при заданной температуре количество, состав фаз и процентное соотношение, используя данные, приведенные в табл. 3.2.

91. Как классифицируют легированные стали по химическому составу? Перечислите принципы маркировки легированных сталей, применяемых на железнодорожном транспорте.

92. Опишите классификацию легированных сталей по назначению. Приведите примеры применения их по каждой группе на подвижном составе и в пути.

93. Дайте определение порошковых материалов. Как их получают и где применяют? Приведите примеры.

94. Опишите принципы классификации легированных сталей по структуре в отожженном состоянии. Приведите примеры использования этих сталей на подвижном составе.

95. Как классифицируются легированные стали по структуре в нормализованном состоянии? Приведите примеры использования этих сталей.

Таблица 3.2

Исходные данные для вопросов 61–90

№ вопроса	Количество углерода, %	Температура, 0С	№ вопроса	Количество углерода, %	Температура, 0С	№ вопроса	Количество углерода, %	Температура, 0С
61	3,8	800	71	2.8	750	81	1,2	770
62	3.7	600	72	2.7	700	82	1,1	750
63	3,6	1190	73	2,6	650	83	1,0	740
64	3,5	1200	74	2.5	600	84	0,9	500
65	3,4	1050	75	2,4	850	85	0,7	600
66	3,3	1000	76	2,3	1240	86	0,6	700
67	3,2	950	77	1,6	830	87	0,5	710
68	3,1	920	78	1.5	820	88	0,4	760
69	3,0	900	79	1,4	810	89	0,3	780
70	2,9	780	80	1,3	700	90	0,2	750

91. Какие легирующие элементы являются карбидообразующими? Где применяют стали, содержащие карбиды, и почему? Приведите примеры.

92. Каково влияние легирующих элементов на основные превращения в стали: распад аустенита, мартенситное превращение, превращение при отпуске? В чем практическое значение этого влияния?

93. В чем сущность отпускной хрупкости стали? Чем она вызывается и какое практическое значение имеет?

94. С какой целью и в каком количестве вводят в сталь титан, ванадий, бор, медь? Приведите примеры сталей, легированных этими элементами.

95. Какие требования предъявляются к конструкционным легированным сталям? Приведите их классификацию и маркировку. Где и почему эти стали применяют на подвижном составе?

96. Рессорно-пружинные легированные стали, применяемые на подвижном составе. Каковы их состав, структура, термическая обработка, свойства?

97. Какие конструкционные легированные стали относят к группе цементуемых? Каковы состав, структура, свойства сталей? Приведите примеры.

98. Какие легированные стали применяют для измерительного инструмента? Приведите конкретные примеры, опишите состав и свойства.

99. Опишите улучшаемые конструкционные легированные стали. Каковы состав, структура, свойства сталей?

100. Низколегированные конструкционные стали, примеры их применения на подвижном составе.

101. Опишите углеродистые конструкционные стали для отливок. Приведите конкретные примеры их применения на подвижном составе.

102. Какие требования предъявляют к шарикоподшипниковым сталям? Приведите примеры их использования на подвижном составе.

103. Каковы состав, структура, термическая обработка, свойства износостойкой аустенитной стали, применяемой в стрелочных переводах? В чем ее преимущества?

104. Какие виды коррозии металлов известны? Какие нержавеющие конструкционные стали применяются в промышленности и на транспорте?

105. Какие требования предъявляют к жаропрочным конструкционным сталям? Каковы состав, структура, термическая обработка сталей, применяемых в газотурбинных установках локомотивов?

106. Какие требования предъявляют к инструментальным легированным сталям? Каковы состав, структура, термическая обработка, свойства быстрорежущей стали?

107. Приведите схему закалки и отпуска быстрорежущей стали, включая обработку холодом. Обоснуйте эту термическую обработку изменениями в структуре стали.

108. Перечислите требования к сталям для измерительного инструмента. Каковы состав, структура, термическая обработка, свойства этих сталей?

109. Какие стали применяют при изготовлении штампов для холодной деформации? В чем особенности термической обработки этих сталей?

110. Перечислите требования, предъявляемые к сталям при изготовлении штампов для горячей деформации. Каким образом удается выполнить эти требования?

111. Технология получения, состав, структура, свойства металлокерамических твердых сплавов. Где и почему они применяются?

112. Объясните причины сохранения высокой красностойкости металлокерамических твердых сплавов при резании металлов. Приведите примеры их применения.

113. Стали, обладающие особыми свойствами. Приведите примеры использования этих сталей в деталях дизеля тепловоза.

114. Опишите магнитомягкие и магнитотвердые стали и сплавы. Где и почему они применяются в локомотивах?

115. Какие виды термической обработки чугуна существуют? Какие изменения происходят в структуре чугуна при отжиге с целью графитизации?

121–150. Выберите режим термической обработки детали из стали указанной марки для получения заданных свойств и обоснуйте его. На основе диаграммы состояний железо–цементит и построенного графика термической обработки напишите о превращениях в структуре стали, используя данные табл. 3.3.

Таблица 3.3

Исходные данные для вопросов 121–150

№ вопроса	Деталь	Марка стали	Свойства	№ вопроса	Деталь	Марка стали	Свойства
121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135	Зубило Матрица Сверло Метчик Зенкер Напильник Резец Метчик Надфиль Плашка Протяжка Развертка Резец Сверло Резец	У7 У8 У9 У10 У11 У12 У13 Х Х05 9ХС ХВГ ХГ ХВ5 Р6М5 Р12	HRC58 HRC60 HRC62 HRC63 HRC64 HRC65 HRC62 HRC62 HRC65 HRC60 HRC65 HRC62 HRC64 HRC63 HRC64	136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150	Резец Шестерня Валик Ось Валик Болт Червяк Шестерня Пружина Рессора Шарик Палец Клапан Штамп Коромысло	Р18 20 15 45 25 50 50ХНМА 40Х 55С2 60С2ХА60СГ ШХ15 12ХН3 Х10С2М 5ХНТ	HRC65 HRC60 HB5500 HB2500 HRC40 HB2500 HRC60 HRC58 HRC43 HRC44 HRC40 HRC61 HRC60 HB4000 HB4000

151. Из перечисленных сплавов: Г13Л, Б16, Р9, БрАЖ9-4, ВК6 – выберите материал для изготовления литой антифрикционной втулки и для заливки подшипника. Расшифруйте марки этих сплавов. Приведите примеры других сплавов с антифрикционными свойствами.

152. Дайте характеристику меди и ее сплавов. Укажите область их применения в промышленности. Расшифруйте марки следующих сплавов: БрОЦС5-5, БрАЖ9-2, Л96, ЛМцС58-2-1,5. Поясните, какая разница в методах обработки латуней Л96 и ЛМцС58-2-1,5.

153. Для изготовления деталей выбран сплав Д1. Определите химический состав сплава. Опишите, каким видам термической обработки он подвергается. В чем сущность процесса старения?

154. Дайте характеристику алюминия и его сплавов. Укажите область их применения в промышленности. Что такое силумин и дюралюминий (состав, свойства, назначение)?

155. Расшифруйте марки перечисленных сплавов: Р18, 13Л, Т15К6, 5ХНТ, ВК15. Из этих сплавов выберите получаемые методами порошковой металлургии. Опишите технологический процесс их получения, свойства и назначение.

156. Расшифруйте марки сплавов ВК2 и Т5КЮ. Укажите их свойства и назначение. Опишите принцип изготовления изделий методом порошковой металлургии. Перечислите этапы и условия проведения технологического процесса.

157. Титан и сплавы на его основе. Где их применяют? Каковы перспективы применения титановых сплавов на подвижном составе?

158. Расскажите о баббитах на оловянной, свинцовой и цинковой основах, их применении на железнодорожном транспорте.

159. Опишите получение изделий методом порошковой металлургии (кроме инструмента). Приведите примеры.

160. Перечислите основные виды лакокрасочных материалов. Какие требования к ним предъявляются? Приведите примеры.

161. Приведите схемы различных структур звеньев макромолекул. Каково их влияние на свойства полимера?

162. Укажите, из каких составных частей состоит пластмасса, и объясните их назначение. Приведите конкретные примеры применения пластмасс на железнодорожном транспорте.

163. Приведите классификацию пластмасс в зависимости от реакции получения полимеров и от их физико-механических свойств.

164. Каково влияние вида и формы наполнителя на свойства пластмасс?

165. Перечислите основные технологические методы изготовления изделий из пластмасс, используемых на железнодорожном транспорте, и дайте их краткую характеристику.

166. Каковы возможности и назначение синтетических защитных покрытий подвижного состава, сооружений и устройств железнодорожного транспорта? Приведите состав применяемых покрытий и опишите технологию их нанесения.

167. Состав, структура и физико-механические свойства стекловолокнистого анизотропного материала.

168. Опишите технологию склеивания и перечислите типы и марки синтетических клеев в зависимости от основы (полимера). Приведите примеры использования синтетических клеев при ремонте подвижного состава.

169. Охарактеризуйте синтетические каучуки по составу исходных продуктов и свойствам. Приведите примеры использования резин на железнодорожном транспорте.

170. Получение, свойства и применение пластмасс с листовым наполнителем.

171. Получение, свойства и применение фторопласта.

172. Объясните, в чем сущность процессов полимеризации и поликонденсации. Приведите примеры.

173. Получение, свойства и применение пластмасс с порошковым наполнителем.

174. Получение, свойства и применение резин специального назначения: маслобензостойких и пр.

175. Свойства, изготовление и применение стеклопластиков на железнодорожном транспорте.

176. Состав, свойства (преимущества и недостатки) и применение фрикционных полимерных материалов.

177. Какие материалы на основе полимеров применяются на железнодорожном транспорте в качестве антифрикционных? Приведите конкретные примеры, укажите преимущества и недостатки.

178. Опишите процесс получения резины. Перечислите ее свойства. Приведите примеры применения резины на железнодорожном транспорте.

179. Опишите методику определения экономической эффективности внедрения в производство новых материалов и упрочняющей термической обработки с учетом долговечности деталей.

180. Каковы методы получения и свойства пенопластов и поропластов? Приведите примеры их применения на железнодорожном транспорте.