Введение

Контрольные работы необходимы для проверки усвоения студентами теоретических сведений курса «Материаловедение и технология конструкционных материалов» и умения применять их для практических расчетов.

Выполнению каждой части задания должна предшествовать обстоятельная работа над теоретическими разделами курса, изложенного в лекциях и литературе, список которой приводится в данном методическом пособии.

В пособии приведено минимальное количество расчетных формул, необходимое для выполнения задания, однако следует иметь в виду, что для их понимания нужно последовательно изучить все предшествующие им главы курса.

Исходные данные для контрольных работ приведены в разделе «Задания для контрольных работ». Вариант выбирается по последней цифре шифра в зачетной книжке.

1. Программа курса «материаловедение и

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»

1.1. Металловедение

Строение и кристаллизация металлов

Классификация металлов. Черные и цветные металлы: тугоплавкие, легкие, легкоплавкие, благородные и др. Металлы, являющиеся основой сплавов, применяемых в технике. Особенности атомного строения и свойства металлов. Типы кристаллических решеток металлов. Полиморфные превращения в металлах. Анизотропия металлов. Строение реальных кристаллов. Понятие о теории дислокаций. Несовершенства кристаллического строения: точечные, линейные, поверхностные дефекты. Зерна, фрагменты, блоки.

Кристаллизация металлов. Особенности жидкого состояния. Кривые охлаждения чистых металлов. Образование и рост кристаллических зародышей. Факторы, влияющие на процесс кристаллизации и величину зерна.

Строение слитка и дендрита. Кристаллическая, химическая и физическая неоднородность слитка. Дендритная (внутрикристаллитная) ликвация.

Основы теории сплавов

Понятия: сплав, компонент, фаза, структура. Виды взаимодействия компонентов: твердые растворы, механические смеси, химические соединения. Виды твердых растворов. Методы построения диаграмм состояний. Четыре типа диаграмм состояний двойных систем. Вторичная кристаллизация. Связь между строением сплавов (диаграммой состояний) и их свойствами (закон Н. С. Курнакова). Определение химического состава и количественного соотношения фаз, находящихся в равновесии.

Железоуглеродистые сплавы

Железо и его свойства. Аллотропия, или полиморфизм, железа. Строение и свойства фаз и структурных составляющих системы железо–углерод. Диаграмма состояний железо–цементит. Роль Д. К. Чернова в разработке этой диаграммы. Углеродистые стали. Влияние углерода и постоянных примесей, а также кислорода, азота, водорода и неметаллических включений на структуру и свойства стали. Классификация углеродистых сталей по способу производства, качеству, степени раскисления и применению. ГОСТы на углеродистые стали. Маркировка сталей. Особые технические условия (ТУ) на углеродистые стали для ответственных деталей подвижного состава, машин, механизмов и сооружений железнодорожного транспорта. Понятие о чугунах. Назначение чугунов. Ковкий и высокопрочный чугун. Термическая обработка чугуна.

Основы теории термической обработки стали

Превращения в стали при нагреве. Наследственное зерно. Баллы величины зерна. Влияние величины зерна на механические и технологические свойства. Превращение переохлажденного аустенита.

Превращения аустенита при непрерывном охлаждении. Превращение аустенита в мартенсит. Критическая скорость закалки. Особенности мартенситного превращения. Строение и свойства мартенсита. Диаграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали. Особенности диаграмм для до- и заэвтектоидной сталей. Изотермическая закалка стали.

Теория упрочнения сплавов путем закалки и старения. Напряжение и деформация. Влияние температуры и скорости нагружения на сопротивление деформации. Твердость, износостойкость, хладноломкость металлов. Хрупкое и вязкое разрушение. Явление усталости. Предел выносливости. Конструкционная прочность. Удельная прочность. Применение поверхностной пластической деформации для упрочнения деталей подвижного состава. Обработка дробью и накатка роликом.

Технология термической обработки стали

Классификация основных видов термической обработки. Окисление и обезуглероживание стали при нагреве. Защитные среды для термообработки. Отжиг стали и его разновидности. Нормализация стали. Влияние отжига и нормализации на структуру, механические свойства и обрабатываемость резанием. Закалка стали. Выбор температуры закалки. Закаливаемость и прокаливаемость стали. Внутренние напряжения (термические и структурные), возникающие при закалке. Способы закалки. Обработка холодом (А. П. Гуляев), ее назначение. Поверхностная закалка с нагревом токами высокой частоты – ТВЧ (В. П. Вологдин). Особенности структуры и свойств стали, закаленной с индукционного нагрева. Детали подвижного состава, подвергаемые закалке с нагревом ТВЧ. Газопламенный нагрев под закалку. Отпуск закаленной стали и его виды. Улучшение стали. Влияние температуры отпуска на механические свойства стали. Наклеп и рекристаллизация. Термомеханическая обработка стали (ВТМО и ПТМО).

Технология химико-термической обработки стали

Сущность и цели химико-термической обработки. Физико-химические основы химико-термической обработки стали. Цементация стали, ее виды, химизм процесса. Варианты термической обработки цементированной стали. Азотирование стали. Химизм процесса. Структура и свойства азотированной стали. Детали подвижного состава, подвергаемые цементации и азотированию. Нитроцементация (цианирование) конструкционной и инструментальной сталей. Сульфоцианирование, алитирование и хромирование стали. Борирование стали. Охрана труда в термических цехах.

Основы легирования стали

Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа. Диаграмма состояний железо – легирующий элемент с открытой и закрытой -областью. Карбидообразующие и некарбидообразующие элементы. Влияние легирующих элементов на основные превращения в стали (распад аустенита, мартенситное превращение, превращение при отпуске). Отпускная хрупкость I и II рода. Влияние марганца, хрома, кремния, никеля, молибдена, вольфрама на превращения, структуру и свойства сталей. Цели добавления и количество вводимых в сталь титана, ванадия, алюминия, бора, меди, серы, свинца, селена, азота и редкоземельных элементов (РЗМ).

Конструкционные легированные стали

Требования к конструкционным сталям. Классификация и маркировка. ГОСТы на легированные конструкционные стали. Цементуемые и улучшаемые легированные стали; их состав, термическая обработка, свойства и применение в транспортном и строительно-дорожном машиностроении. Хладостойкие стали для машин, работающих в условиях низких температур. Рессорно-пружинные стали для подвижного состава. Стали для подшипников подвижного состава.

Инструментальные легированные стали и твердые сплавы

Классификация и маркировка инструментальных легированных сталей. ГОСТы на эти стали. Стали для штампов холодной и горячей деформации. Стали для измерительного инструмента. Стали для режущего инструмента. Быстрорежущие стали, их состав, структура, термическая обработка и свойства. Металлокерамические твердые сплавы.

Стали и сплавы с особыми свойствами

Виды коррозии сплавов. Нержавеющие хромистые и хромоникелевые аустенитные стали, их термическая обработка. Экономно легированные нержавеющие стали для вагоностроения. Износостойкость. Марганцовистая сталь для крестовин стрелочных переводов и ее термическая обработка. Понятие о высокопрочных мартенситостареющих сталях. Теплостойкие и жаропрочные стали и сплавы. Стали для деталей клапана и форсунки дизеля. Сплавы для нагревательных элементов. Реостатные сплавы. Сплавы с заданным коэффициентом линейного расширения и упругими свойствами. Магнитомягкие и магнитотвердые стали и сплавы, их применение в локомотивах. Композиционные материалы.

Цветные металлы и сплавы

Алюминий и сплавы на его основе. Деформируемые алюминиевые сплавы. Жаропрочные алюминиевые сплавы. Литейные алюминиевые сплавы. Термическая обработка алюминиевых сплавов. Применение алюминиевых сплавов в локомотивах и вагонах. Медь и сплавы на ее основе. Латуни и бронзы. Медные сплавы на подвижном составе. Титан и его сплавы. Перспективы применения титановых сплавов. Антифрикционные сплавы – баббиты на оловянной, свинцовой и цинковой основе; их применение на подвижном составе и в строительно-дорожных машинах.