материаловедение

Міністерство освіти і науки України Запорізький національний технічний університет

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ТА ЗАВДАННЯ ДО КОНТРОЛЬНОЇ РОБОТИ

з дисциплін “Металознавство”, “Матеріалознавство”, “Металознавство та термічна обробка зварювальних з’єднань”

для студентів спеціальностей 8.090202, 8.090203, 8.090214, 8.090.206, 8.090260, 8.090.205, 8.090210, 8.090211, 8.092301, 8.092.303

заочної форми навчання

2002

2

Методичні вказівки та завдання до контрольної роботи з дисциплін “Металознавство”, “Матеріалознавство”, “Металознавство та термічна обробка зварювальних з’єднань” для студентів спеціальностей 8.090202, 8.090203, 8.090214, 8.090.206, 8.090260, 8.090.205, 8.090210, 8.090211, 8.092301, 8.092.303 заочної форми на-

вчання /Укл.: О.В. Сазонова, Л.П. Степанова. Комп’ютерний набір та графіка – О.В. Іващенко – Запоріжжя: ЗНТУ, 2002. - 61 с.

Укладачі: О.В. Сазонова, ст. викладач, Л.П. Степанова, доцент, к.т.н.

Рецензент: І.М. Лазечний, доцент, к.т.н.

Відповідальний за випуск: А.Д. Коваль, професор, д.т.н.

Затверджено на засіданні кафедри

“Фізичне матеріалознавство”

Протокол № 3 від “4“ грудня 2002 р.

3

Вступ

Вдосконалення виробництва, випуск сучасних різних машинобудівних конструкцій, спеціальних приладів, машин і різноманітної апаратури неможливі без подальшого розвитку виробництва і розробки нових матеріалів, як металевих, так і неметалевих.

Матеріалознавство є однією з перших інженерних дисциплін, основи якої широко використовуються при курсовому і дипломному проектуванні, а також у практичній діяльності інженера.

Прогрес в області машинобудування тісно пов’язаний із створенням і освоєнням нових, найбільш економічних матеріалів, що мають найрізноманітніші механічні і фізико-хімічні властивості. Властивості матеріалу визначаються його внутрішньою будовою, що, у свою чергу, залежить від складу і характеру попередньої та завершальної обробок. У дисципліні “Матеріалознавство” вивчаються фізичні основи цих зв’язків.

ПРОГРАМА І МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ЧАСТИНА I. МЕТАЛОЗНАВСТВО

Будова металів

Металознавство як наука про властивості металів і сплавів. Типи зв’язку у твердих тілах. Атомно-кристалічна будова металів. Процес кристалізації.

При розгляді хімічного типу зв’язку у твердих тілах основну увагу зверніть на особливий тип металевого зв’язку, що обумовлює основні властивості металів: високу електропровідність і теплопровідність, високу пластичність і характерний блиск. Металеві тіла характеризуються кристалічною будовою. Проте властивості реальних кристалів значною мірою визначаються низкою недосконалостей кристалічної будови. У зв’язку з цим необхідно розібратися із видами дефектів в кристалічних гратках і, особливо, в будові дислокацій (лінійних недосконалостей), причинах їхнього легкого переміщення в кристалічній гратці та впливу на механічні і фізичні властивості.

Термодинамічні стимули фазових перетворень є основою зага-

4

льного закону природи: прагнення будь-якої системи до стану з найменшим запасом енергії (у даному випадку вільної енергії). З’ясуйте теоретичні основи процесу кристалізації, що складається з двох елементарних процесів: зародження і росту кристалів, і вплив на ці параметри ступеня переохолодження.

У процесі кристалізації при формуванні структури литого металу вирішальне значення має реальне середовище, а також можливість штучного впливу на будову шляхом модифікування.

Питання для самоперевірки

1. У чому сутність металевого, іонного і ковалентного типів зв’язку? 2. Які характерні властивості мають метали і чим вони визначаються? 3. Що таке елементарна комірка? 4. Що таке поліморфізм? 5.Що таке параметр кристалічної гратки, густина пакування і координаційне число? 6. Що таке мозаїчна структура? 7. Види дислокацій і їх будова. 8. Які термодинамічні умови фазових перетворень? 9. Основні параметри процеса кристалізації. 10. Що таке переохолодження? 11.Який зв’язок між розміром зерна і швидкістю зародження та росту кристалів, а також ступенем переохолодження? 12. Форми кристалів і вплив реального середовища на процес кристалізації. Утворення дендритної структури. 13. У чому сутність модифікування?

Теорія сплавів

Сплави, види взаємодії компонентів у твердому стані. Діаграми стану для випадків необмеженої і обмеженої розчинності компонентів у твердому стані, а також при утворенні в системі хімічних сполук.

Необхідно чітко уявляти будову металів і сплавів у твердому стані. Поняття твердих розчинів, хімічних з’єднань, фазових сумішей. Засвоїти загальну методику побудови діаграм стану для різних випадків взаємодії компонентів у твердому стані.

При вивченні діаграм стану потрібно вміти застосовувати правило відрізків (для визначення кількості кожної фази або структурної складової в сплаві), правило фаз (для побудови кривих нагрівання і охолодження), визначати хімічний склад фаз. За допомогою правила Курнакова потрібно встановити зв’язок між складом, будовою і властивостями сплаву.

5

Питання для самоперевірки

1. Що таке компонент, фаза, фізико-хімічна система, кількість ступенів свободи? 2. Приведіть пояснення твердого розчину, фазової суміші, хімічного (металевого) з’єднання. 3. Що являють собою тверді розчини заміщення і втілення? 4. Як будуються діаграми стану? 5. Поясніть принцип побудови кривих нагрівання і охолодження за допомогою правила фаз. 6. Як буде виглядати ділянка кривої охолодження, якщо є одна фаза і число ступенів свободи дорівнює двом? Те ж саме для числа ступенів свободи рівного одиниці, коли кристалізується тверда фаза з рідкої. Або для числа ступенів свободи, рівного нулю (в рівновазі існують три фази). 7. Накресліть і проаналізуйте діаграму стану для випадку утворення неперервного ряду твердих розчинів. 8. Накресліть і проаналізуйте діаграму стану для випадку відсутньої розчинності компонентів у твердому стані. 9. Накресліть і проаналізуйте діаграму стану для випадку утворення евтектики, що складається з обмежених твердих розчинів. 10. Яким чином визначаються склад фаз і їх кількісне співвідношення? 11. У чому різниця між евтектоїдним і евтектичним перетвореннями? 12. Види ліквації і методи їх усунення. 13. Зв’язок між властивостями сплавів і типом діаграми стану (правило Курнакова).

Пластична деформація і механічні властивості металів

Напруги і деформації. Явище наклепу. Стандартні механічні властивості: твердість, характеристики, що визначаються при розтягуванні (σВ, δ, ψ), ударна в’язкість, опір втомі.

Фізична природа деформації і руйнування. Приділіть увагу механізму пластичної деформації і її впливу на мікро- і субмікроструктуру, а також на густину дислокацій. Усвідомте зв’язок між основними характеристиками структури та механічними і іншими властивостями. Розберіться в сутності явища наклепу і його практичного використання.

Вивчіть основні методи дослідження механічних властивостей металів і фізичну сутність характеристик, що визначаються.

6

Питання для самоперевірки

1. У чому різниця між пружною і пластичною деформаціями? 2.Як змінюється будова металу в процесі пластичного деформування? 3. Як змінюється густина дислокацій при пластичній деформації? 4. Як впливають дислокації на міцність металу? 5. Чому спостерігається розбіжність між теоретичною і реальною міцностями? 6. Як впливає зміна форми зерен на властивості деформованого металу? 7. У чому сутність явища наклепу і яке він має практичне використання? 8. Які характеристики механічних властивостей визначаються при випробуванні на розтяг? 9. Що таке твердість? 10. Які методи визначення твердості ви знаєте? 11. Що таке ударна в’язкість? 12. Що таке поріг холодноламкості? 13. Що таке конструкційна міцність? 14. Від чого залежить і як визначається конструкційна міцність?

Вплив нагрівання на структуру і властивості деформованого металу

Необхідно знати сутність процесів (віднова, первинна рекристалізація, збиральна рекристалізація), що проходять при нагріванні де-

формованого металу. Як при цьому змінюються механічні, фізикохімічні властивості і форма та розмір зерна. Встановіть вплив складу сплаву і ступеня пластичної деформації на перебіг рекристалізаційних процесів. Навчиться обирати режим рекристалізаційного відпалювання, визначати його практичне значення. Різниця між холодною і гарячою пластичними деформаціями.

Питання для самоперевірки

1. Як змінюються властивості деформованого металу при нагріванні? 2. У чому сутність процесу віднови? 3. Що таке полігонізація? 4. Сутність процесів первинної і вторинної рекристалізації. 5. Як впливають склад сплаву і ступінь пластичної деформації на температуру рекристалізації? 6. Що таке критичний ступінь деформації? 7. У чому різниця між холодною та гарячою пластичними деформаціями? 8. Як змінюються будова і властивості металу при гарячій пластичній деформації? 9. Яке призначення рекристалізаціоного відпалювання і як воно здійснюється?

7

Залізо і його сплави

Діаграма стану залізо-цементит. Класифікація залізовуглецевих сплавів. Держстандарти на маркування сталей. Основні фази та структурні складові, утворені легуючими елементами в сплавах заліза. Структурні класи легованих сталей. Чавуни.

Ознайомтеся із діаграмою стану (див. рис. 1 у додатку Б) залізоцементит і визначте усі фази і структурні складові цієї системи. За допомогою правила фаз побудуйте криві охолодження (або нагрівання) для будь-якого сплаву; розберіться в класифікації залізовуглецевих сплавів і засвойте різницю між трьома класами (технічне залізо, сталь, чавун) за вмістом вуглецю. Різні класи сплавів принципово різноманітні за структурою і властивостями. Технічні залізовуглецеві сплави складаються не тільки з заліза і вуглецю, але й обов’язково містять постійні домішки, що потрапляють у сплав у результаті попередніх операцій при виплавці. Вплив вуглецю на структуру і властивості сплавів.

Проаналізуйте діаграму стану залізо-графіт. Кількісні зміни в положенні ліній діаграми стосуються зсуву евтектичної і евтектоїдної ліній за температурою та концентрацією вуглецю у точках S′ і Е′. Якісна відмінність, порівняно з діаграмою залізо-цементит, полягає в появі в структурі графіту.

Вивчіть вплив легуючих елементів на критичні точки заліза і сталі і поясніть, при якому вмісті вуглецю і відповідного легуючого елемента можуть бути отримані леговані сталі доевтектоїдні, евтектоїдні, заевтектоїдні, феритного, аустенітного чи ледебуритного класів.

З’ясуйте вплив постійних домішок на будову чавуну і з’ясуйте різницю в структурі металевої основи сірих чавунів різних класів. Запам’ятайте основні механічні властивості і призначення чавунів різних класів і їх маркування. Зверніть увагу на способи отримання ковких та високоміцних чавунів. Вивчіть фізичну сутність процесу графітизації.

Питання для самоперевірки

1. Що таке ферит, аустеніт, цементит, перлит і ледебурит? 2. Які перетворення відбуваються в сплавах при температурах А1, А2, А3, А4, Асm. 3. Побудуйте за допомогою правила фаз криву охолодження для сталі з 0,8% С, для чавуну з 4,3% С. 4. Яку структуру і властивості мають технічне залізо, сталі і білі чавуни? 5. У яких умовах виділяється первинний, вторинний або третинний цементит? 6. Як змінюються

8

будова ледебуриту в залежності від температури (кімнатна, вище евтектоїдної температури 727°С)? 7. Як впливають легуючі елементи на положення критичних точок заліза і сталі? 8. Які легуючі елементи є карбідоутворювачами ? 9. Які легуючі елементи сприяють графітизації? 10. Як впливають легуючі елементи на властивості фериту та аустеніту ? 11. Як класифікують леговані сталі за структурою в рівноважному стані? 12. У чому відмінність сірого чавуну від білого? 13. Класифікація і маркування сірих чавунів. 14. Структури сірих чавунів? 15.Як одержують високоміцний чавун? Його будова, властивості і призначення. 16. Види модифікаторів, їх вплив на форму і розмір графітних включень. 17. Порівняйте механічні властивості сірого, ковкого і високоміцного чавунів.

Теорія термічної обробки сталі

Перетворення в сталі при нагріванні. Перетворення переохолодженого аустеніту. Мартенситне перетворення і його особливості. Перетворення аустеніту при неперервному охолодженні. Перетворення при відпусканні загартованої сталі.

Теорія і практика термічної обробки сталі - головні питання металознавства. Термічна обробка - один з основних засобів впливу на будову, а отже, і на властивості сплавів.

При вивченні перетворень переохолодженого аустеніту зверніть особливу увагу на діаграми ізотермічного та термокінетичного перетворення аустеніту (див. рис. 3 у додатку Б), що встановлює зв’язок між температурними умовами перетворення, інтенсивністю і будовою продуктів. Розберіть механізм та особливості перлитного, проміжного і мартенситного перетворень, що відбуваються, відповідно, у верхній, середній і нижній температурних областях. Ознайомтеся з будовою і властивостями перлиту, сорбіту, трооститу, бейніту, мартенситу. Порівняйте структури після охолодження та відпускання загартованої

сталі.

Вивчіть вплив легуючих елементів на кінетику і характер перетворення аустеніту в перлитній, проміжній і мартенситній областях. У зв’язку з впливом легуючих елементів на діаграми аустеніту розгляньте причини одержання різних класів за структурою (перлитного, мартенситного, аустенітного). Усвідомте вплив легуючих елементів на перетворення при відпусканні. Запам’ятайте, що легуючі елементи, як правило, гальмують процеси перетворень.

9

Питання для самоперевірки

1. Механізм утворення аустеніту при нагріванні сталі. 2. Які механізми і температурні області утворення структур перлитного типу (перлиту, сорбіту, трооститу) і бейниту? 3. У чому розходження між перлитом, сорбітом і трооститом? 4. Що таке мартенсит і в чому сутність і особливості мартенситного перетворення? 5. Що таке критична швидкість гартування? 6. Від чого залежить кількість залишкового аустеніту? 7. У чому сутність перетворень, що відбуваються при відпусканні? 8. Що таке коагуляція і як змінюються структура і властивості сталі в зв’язку з коагуляцією карбідної фази при відпусканні? 9. Чим відрізняються структури трооститу, сорбіту і перлиту відпускання від однойменних структур, що утворюються безпосередньо при перетворенні переохолодженого аустеніту? 10. Яке практичне значення термокінетичних діаграм? 11. Як впливають легуючі елементи на перлитне перетворення? 12. Як впливають легуючі елементи на мартенситне перетворення? 13. Як відбувається проміжне перетворення в легованій сталі? 14. Як впливають легуючі елементи на перетворення при відпусканні? 15. У чому сутність явища відпускної крихкості? 16. Як можна усунути відпускну крихкість другого роду?

Технологія термічної обробки

Основні види термічної обробки сталі. Відпалювання, нормалізація, гартування, обробка холодом. Прогартовуваність сталі. Відпускання сталі. Поверхневе гартування.

Розгляньте вплив швидкості охолодження на структуру і властивості сталі і фізичну сутність процесів відпалювання, нормалізації, гартування і обробки холодом. При вивченні технологічних процесів термічної обробки особливу увагу зверніть на різновиди режимів і їх призначення. Для визначення причин браку при термічній обробці сталі з’ясуйте природу термічних і фазових напружень. Загартовуваність і прогартовуваність сталі, чинники, що впливають на ці характеристики. Сутність термомеханічної обробки.

Різноманітні види поверхневого гартування дозволяють одержати особливі поєднання властивостей поверхневого шару і серцевини, що призводить до підвищення експлуатаційних характеристик виробу. При гартуванні після індукційного нагрівання існує зв’язок між гли-

10

биною проникнення загартованого шару і частотою струму. Гартування після нагрівання струмом високої частоти призводить до одержання більш високих механічних властивостей, чим при звичайному об’ємному гартуванні.

Сучасні автоматичні і напівавтоматичні агрегати для термічної обробки можуть бути включені в технологічні лінії машинобудівних заводів, у зв’язку з цим при масовому виробництві відпадає необхідність у спеціальних термічних цехах і відділеннях.

Питання для самоперевірки

1. Наведіть визначення основних процесів термічної обробки: відпалювання, нормалізації і гартування. 2. Які вам відомі різновиди процесу відпалювання і для чого вони застосовуються? 3. Яка природа фазових і термічних напружень? 4. Які вам відомі різновиди гартування і у яких випадках вони застосовуються? 5. Які види і причини браку при гартуванні? 6. Охолоджувальні середовища і їх особливості? 7.Від чого залежить прогартовуваність сталі і у чому її технологічне значення? 8. Які вам відомі технологічні прийоми зменшення деформації при термічній обробці? 9. Для чого і як проводиться обробка холодом? 10.Як змінюється швидкість і температура нагрівання виробів із легованої сталі в порівнянні з вуглецевою? 11. У чому сутність і особливості термомеханічної обробки? 12. Як впливає поверхневе гартування на експлуатаційні характеристики виробу? 13. Як регулюється глибина загартованого шару після нагрівання струмом високої частоти? 14. Які переваги поверхневого гартування після індукційного нагрівання?

Хіміко-термічна обробка сталі і поверхневе зміцнення наклепом

Фізичні основи хіміко-термічної обробки. Цементація. Азотування. Ціанування. Дифузійна металізація. Дробострумінний наклеп.

Загальні основи хіміко-термічної обробки є спільними для всіх процесів. Процес хіміко-термічної обробки складається із виділення зовнішнім середовищем атомів речовини для насичення, захоплення (абсорбція) цих атомів поверхнею металу і дифузії їх усередину металу. У більшості випадків, насичення може відбуватися з твердої, рідкої і газової фаз, а тому потрібно знати найбільш вдалі варіанти насичення для кожного методу хіміко-термічної обробки і кінцеві результати