771

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

__________________________________________

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет

архитектуры и строительства»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

ПРОГРАММА И КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ПО КУРСАМ

Учебно6методическое пособие

Пенза 2013

УДК 620.2:624.07 (075.8) ББК 34

М34

Рекомендовано Редсоветом университета Рецензент – кандидат технических наук, доцент

С.Н. Кислицына (ПГУАС)

Материаловедение и технология конструкционных мате# М34 риалов. Программа и контрольные задания: учеб.#метод пособие / И.Н. Петровнина, И.И. Романенко. – Пенза: ПГУАС,

2013. – 48 с.

Изложены основные вопросы программы курсов «Материаловедение» и «Технология конструкционных материалов», даны рекомендации к выпол# нению контрольных работ, приведены задания к контрольным работам.

Учебно#методическое пособие подготовлено на кафедре «Механизация и автоматизация производства» и предназначено для использования сту# дентами, обучающимися по направлениям подготовки 190600.62 «Эксплуа# тация транспортно#технологических машин и комплексов» и 190700.62 «Технология транспортных процессов», при выполнении контрольных работ.

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, 2013

Петровнина И.Н., Романенко И.И., 2013

2

1. ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Программа из двух частей:

часть I – Материаловедение;

часть II – Технология конструкционных материалов. Материаловедение занимается изучением зависимости между со6

ставом, строением и свойствами металлических сплавов и неметал6 лических материалов, а также закономерностей их изменения под воздействием внешних факторов: тепловых, химических, механи6 ческих, электромагнитных и радиоактивных.

Материаловедение включает следующие разделы: Введение.

1.Строение металлов и кристаллизация.

2.Механические свойства материалов.

3.Пластическая деформация и рекристаллизация.

4.Теория металлических сплавов.

5.Железо и сплавы на его основе.

6.Теория термической обработки стали.

7.Технология термической обработки стали.

8.Способы поверхностного упрочнения сталей.

9.Стали (конструкционные стали общего и специального назначе6 ния, инструментальные стали).

10.Сплавы цветных металлов.

11.Металлы и сплавы с особыми свойствами и электротехнические материалы.

12.Неметаллические, порошковые и композиционные материалы. Технология конструкционных материалов рассматривает вопросы

формообразования заготовок и готовых деталей различными спосо6 бами. Она включает следующие разделы:

1. Производство черных и цветных металлов.

2. Литейное производство.

3.Обработка металлов давлением.

4.Сварочное производство.

5.Обработка резанием.

В результате изучения курсов студенты должны не только полу6 чить знания о свойствах материалов и физической сущности явлений, связанных с их обработкой, в процессе изготовления деталей и их эксплуатации, но и уметь правильно назначать режимы механической обработки материалов, обеспечивающие не только высокую произ6 водительность при изготовлении деталей, но и их эксплуатационную надежность.

3

Основной формой изучения курсов «Материаловедение» и «Техно6 логия конструкционных материалов» является самостоятельная работа студентов над рекомендуемой учебной литературой.

Освоить теоретический курс студентам помогут контрольные вопросы, приведенные в данном учебно6методическом пособии.

Студенты должны выполнить контрольные работы, затем выслать их в университет на рецензию и защитить их.

Вслучае возникновения у студентов затруднений при выполнении контрольных работ они могут обратиться на кафедру «Механизация и автоматизация производства» за письменной консультацией или получить устное разъяснение непосредственно на кафедре в дни и часы, предусмотренные расписанием.

Контрольную работу следует выполнять в виде пояснительной записки с необходимыми расчетами, схемами и мотивировками приня6 тых решений.

На страницах следует оставить поля для замечаний рецензента. Текст заданий необходимо переписывать полностью, вместе со

своим вариантом данных. Номера вариантов определяются в соот6 ветствии с двумя последними цифрами шифра, как указано в заданиях.

Вконце контрольной работы следует привести список использо6 ванной литературы, поставить дату и подпись.

Контрольные работы должны быть положительно оценены (зачтены) до начала экзаменационной сессии.

Работы, не соответствующие нужному варианту или выполненные не в полном объеме, возвращаются студенту.

Во время сессии студенты должны прослушать курс лекций и выполнить определенное количество лабораторных работ. Выполнение всех лабораторных работ и их защита являются обязательными.

4

2. ПРОГРАММЫ КУРСОВ

В в е д е н и е Цель, задачи и значение курсов «Материаловедение» и «Техно6

логия конструкционных материалов». Роль материала и его харак6 теристик в обеспечении надежной эксплуатации изделий. Истори6 ческий обзор развития науки о конструкционных материалах. Применение металлов и неметаллических материалов в автомобиле6 строении и ремонтном производстве. Дальнейшее развитие производ6 ства черных и цветных металлов и их сплавов, неметаллических конструкционных материалов, внедрение прогрессивной технологии производства материалов.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

1. Строение металлов и кристаллизация

Классификация металлов. Характерные свойства металлов и металлических сплавов: механические, физические, химические и технологические.

Атомно6кристаллическое строение металлов. Основные типы кристаллических решеток металлов и их характеристики. Явление полиморфизма. Анизотропия свойств металлов.

Виды дефектов кристаллического строения и их влияние на свойства металлов. Точечные дефекты. Линейные дефекты. Основные типы дислокаций. Поверхностные дефекты.

Общие понятия о диффузии в металлах.

Методы исследования структуры металлов. Исследование макро6 структуры металлов. Металлографический анализ микроструктуры.

Кристаллизация металлов. Термодинамические основы, механизм и кинетика кристаллизации металлов. Термические кривые охлажде6 ния при кристаллизации чистых металлов. Самопроизвольное и гете6 рогенное образование и рост кристаллических зародышей. Строение металлического слитка.

Ко н т р о л ь н ы е в о п р о с ы

1.Чем объясняются высокие электро6 и теплопроводность метал6

лов?

2.Что такое элементарная кристаллическая ячейка?

5

3.Что такое параметр кристаллической решетки, плотность упаков6 ки и координационное число?

4.Опишите строение и основные характеристики кристаллической решетки меди (параметры, координационное число, плотность упаковки).

5.Опишите строение и основные характеристики кристаллической решетки алюминия (параметры, координационное число, плотность упаковки).

6.Опишите поверхностные несовершенства (дефекты) кристалли6 ческого строения реальных металлов и укажите их влияние на свойства металлов и металлических сплавов.

7.Дайте характеристику линейным несовершенствам кристалли6 ческого строения металлов и сплавов. Как влияют линейные несовер6 шенства на их свойства?

8.В чем различие между макроструктурой и микроструктурой ме6 таллов?

9.Что такое мозаичная (или блочная) структура металла?

10.Опишите точечные несовершенства кристаллического строения металла. Какое влияние оказывают точечные дефекты на свойства металлических материалов?

2. Механические свойства материалов

Стандартные механические свойства: твердость; свойства, определяемые при статическом растяжении; вязкость разрушения; ударная вязкость; сопротивление усталости. Явление хладноломкости. Свойства, обусловливающие сопротивление металла хрупкому внезап6 ному разрушению (работа зарождения и распространения трещин, вязкость разрушения, живучесть). Свойства металлов, определяющие долговечность изделий (износостойкость, сопротивление усталости, контактная выносливость).

Ко н т р о л ь н ы е в о п р о с ы

1.Дайте определение ударной вязкости (КСV). Опишите методику измерения этой характеристики механических свойств металла.

2.Какими стандартными характеристиками механических свойств оценивается прочность металлов и сплавов? Как эти характеристики определяются?

3.Дайте определение твердости. Какими методами измеряют твердость металлов и сплавов? Опишите их.

6

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

5.Что такое предел выносливости? Опишите методику опреде6 ления этой характеристики свойств металлов.

6.Что такое порог хладноломкости? Как определяется эта характе6 ристика?

3. Пластическая деформация и рекристаллизация

Напряжения и деформация. Упругая деформация. Пластическая деформация моно6 и поликристаллов. Механизм пластической дефор6 мации. Образование плоскостей скольжения и двойникования. Влия6 ние пластической деформации на структуру металлов. Текстура де6 формации. Влияние пластической деформации на свойства металла – деформационное упрочнение (наклеп). Сверхпластичность металлов и сплавов.

Влияние нагрева на структуру деформированного металла. Возврат

иполигонизация. Первичная рекристаллизация. Собирательная и вторичная рекристаллизация. Факторы, влияющие на размер зерна, после рекристаллизации. Текстура рекристаллизации. Влияние нагре6 ва на свойства деформированного металла – разупрочнение. Холодная

игорячая деформация.

Вязкое и хрупкое разрушение металлов.

Ко н т р о л ь н ы е в о п р о с ы

1.Объясните, в чем заключается различие между упругой и плас6 тической деформацией?

2.Опишите, как изменяются строение и свойства металла в про6 цессе холодной пластической деформации.

3.В чем заключается сущность явления наклепа и какое оно имеет практическое использование. Приведите примеры.

4.Как изменяются свойства деформированного металла при нагре6 вании? В чем заключается сущность процесса возврата?

5.Объясните сущность процессов первичной и вторичной рекрис6 таллизации.

6.В чем различие между холодной и горячей пластическими де6 формациями? Опишите особенности обоих видов деформации.

7.Каково назначение рекристаллизационного отжига и как он осу6 ществляется? Приведите несколько конкретных примеров.

7

8. Опишите признаки вязкого и хрупкого разрушения. Объясните механизм образования и роста трещины. Укажите особенности струк6 туры вязкого и хрупкого изломов.

4. Теория металлических сплавов

Типы фаз, образующихся в металлических сплавах (твердые рас6 творы, механические смеси, химические соединения).

Процессы кристаллизации и фазовые превращения в сплавах. Ме6 тодика построения диаграмм состояния. Диаграммы состояния для случаев полной нерастворимости, неограниченной и ограниченной растворимости компонентов в твердом виде, а также для случая образования устойчивого химического соединения. Правило фаз. Пра6 вила концентраций и отрезков. Связь между диаграммами состояния и свойствами сплавов.

Ликвация в сплавах – внутрикристаллическая (дендритная), зо6 нальная и по плотности.

Ко н т р о л ь н ы е в о п р о с ы

1.Что такое компонент, фаза, физико6химическая система, число степеней свободы?

2.Объясните принцип построения кривых нагревания и охлаж6 дения с помощью правила фаз. Постройте с применением правила фаз кривую нагревания для железа.

3.Что такое твердый раствор? Назовите виды твердых растворов. Приведите примеры.

4.Как будет выглядеть участок кривой охлаждения, если число сте6 пеней свободы равно двум и имеется одна фаза? То же, для числа степеней свободы, равного единице, в случае выпадания твердой фазы из жидкой? То же, для числа степеней свободы, равного нулю?

5.Что такое эвтектика? Приведите пример какого6либо сплава, имеющего строение эвтектики. Объясните различие между эвтекти6 ческим и эвтектоидным превращением.

6.Начертите диаграмму состояния сплавов свинец – сурьма. Ука6 жите структуры во всех областях и опишите процессы, протекающие при охлаждении сплава, содержащего 80 % сурьмы. Назовите крити6 ческие точки начала и конца кристаллизации и окончательную струк6 туру сплава. Пользуясь правилом отрезков, определите по диаграмме, сколько сурьмы и эвтектики будет в сплаве после затвердевания.

7.Начертите диаграмму состояния медь – никель. Постройте кри6 вую охлаждения сплава, содержащего 50 % никеля, укажите превра6

8

щения в каждой точке и конечную структуру сплава. Определите число фаз, их состав и количество при температуре 1200 оС.

8. Что такое ликвация? Укажите причины ее возникновения и способы устранения.

5. Железо и сплавы на его основе

Компоненты и фазы в системе железо – углерод. Диаграмма состо6 яния железо – цементит. Структурные составляющие сплавов железо6 цементит, их характеристики, условия образования и свойства.

Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали. Классификация сталей и маркировка сталей. Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа. Диаграмма фазового равновесия железо – легирующий элемент. Фазы, образуемые легирующими эле6 ментами в сплавах железа (твердые растворы, карбиды, интерметалли6 ды). Влияние легирующих элементов на свойства феррита и аустенита. Структурные классы легированных сталей в условиях равновесия.

Свойства и назначение чугунов. Диаграмма состояния железо – углерод – кремний. Белый и отбеленный чугун. Влияние углерода, кремния и скорости охлаждения на структуру серого чугуна. Влияние постоянных примесей на свойства чугуна. Маркировка чугунов. Серый чугун. Модифицированный серый чугун. Ковкий чугун. Высоко6 прочный чугун. Специальные чугуны.

Ко н т р о л ь н ы е в о п р о с ы

1.Что такое феррит, аустенит, цементит, перлит и ледебурит?

2.Какие превращения происходят в железоуглеродистых сплавах при температурах А1, А2, А3, А4, Аст?

3.Как влияют легирующие элементы на положение критических точек железа и стали? Какие легирующие элементы являются карбидо6 образующими? Какие легирующие элементы способствуют графитиза6 ции? Как влияют легирующие элементы на свойства феррита и аусте6 нита?

4.Приведите классификацию легированных сталей по структуре в равновесном состоянии.

5.В чем отличие серого чугуна от белого?

6.Дайте классификацию и объясните принцип маркировки серых чугунов.

7.Как получают высокопрочный чугун? Укажите его строение, на6 значение и свойства.

8.В чем различие в строении ковкого и модифицированного чугу6

нов?

9

6. Теория термической обработки стали

Превращение при нагреве ферритоцементитной структуры в аустенит. Рост зерна аустенита. Влияние размера зерна на механи6 ческие и технологические свойства стали. Влияние легирующих элементов на рост зерна аустенита.

Превращения переохлажденного аустенита. Диаграмма изотерми6 ческого распада переохлажденного аустенита. Перлитное превращение. Механизм перлитного превращения. Влияние степени переохлаждения аустенита на строение и свойства перлита (сорбита, троостита).

Мартенситное превращение. Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение.

Промежуточное (бейнитное) превращение. Строение и свойства продуктов промежуточного превращения аустенита.

Влияние легирующих элементов на изотермический распад переохлажденного аустенита. Превращение аустенита при непрерыв6 ном охлаждении. Критическая скорость охлаждения и факторы, влияющие на нее.

Превращения при нагреве закаленной на мартенсит стали (отпуск стали).

Влияние температуры и продолжительности нагрева (отпуска) на фазовые и структурные превращения. Обратимая и необратимая хрупкость стали. Старение стали.

Ко н т р о л ь н ы е в о п р о с ы

1.Опишите механизм образования аустенита при нагреве стали.

2.Что такое мартенсит и в чем сущность и особенности мартен6 ситного превращения?

3.Опишите сущность превращений, происходящих при отпуске.

4.Объясните, чем отличаются структуры троостита, сорбита и перлита отпуска от одноименных структур, образующихся при распаде переохлажденного аустенита.

5.Каким образом влияют легирующие элементы на мартенситное превращение?

6.Что такое критическая скорость закалки?

7.В чем заключается сущность явления отпускной хрупкости? Как можно устранить отпускную хрупкость второго рода?

10