3699 ргр материаловедение

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Строительные, дорожные машины и технология машиностроения»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Методические указания к выполнению расчетно-графической работы по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов»

для студентов специальности 23.05.03 (190300) Подвижной состав железных дорог очной и заочной форм обучения

Составитель: Ж.В. Самохвалова

Самара

2015

1

УДК 621.7

Материаловедение : методические указания к выполнению расчетно-графической работы по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» для студентов специальности 23.05.03 (190300) Подвижной состав железных дорог очной и заочной форм обучения / Ж.В. Самохвалова. – Самара : СамГУПС, 2015. – 20 с.

Методические указания содержат общие теоретические сведения, требования к содержанию и оформлению пояснительной записки, варианты заданий и пример выполнения расчетно-графической работы. В приложениях представлен вспомогательный графический справочный материал. Предназначены для студентов СамГУПС очной и заочной формы обучения по специальности «Подвижной состав железных дорог»

Утверждены на заседании кафедры «Строительные, дорожные машины и технология машиностроения» 29.02.2015 г., протокол № 6.

Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

Составитель: Самохвалова Жанна Владимировна

Рецензенты: доцент кафедры «Механика и инженерная графика» СамГУПС М.С. Жарков; к.т.н., доцент кафедры СДМиТМ В.А. Кожевников

Под редакцией составителей

Подписано в печать 30.06.2015. Формат 60х90 1/16. Усл. печ. л. 1,25. Заказ 112.

Самарский государственный университет путей сообщения, 2015

2

Введение

Материаловедение – наука о взаимосвязи строения, структуры материалов с их составом, физическими, химическими, технологическими и эксплуатационными свойствами. Разнообразие свойств материалов является главным фактором, предопределяющим их широкое применение в технике. Материалы обладают отличающимися друг от друга свойствами, причем каждое зависит от особенностей внутреннего строения материала. Основные свойства материалов можно подразделить на физические, механические, технологические и эксплуатационные. От физических и механических свойств зависят технологические и эксплуатационные свойства материалов. Технико-экономическая эффективность применения материала является функцией многих показателей, таких как себестоимость, дефицитность, долговечность, безопасность жизнедеятельности, ремонтопригодность и др.

В результате выполнения расчетно-графической работы у обучающего формируются профессиональные компетенции ПК-12 и ПК-21. Для этого он должен

знать: современные способы получения материалов и изделий из них с заданным уровнем эксплуатационных свойств; свойства современных материалов; методы выбора материалов; основы производства материалов и деталей машин; производство неразъемных соединений; сварочное производство; способы обработки поверхностей деталей;

уметь: эффективно использовать материалы при техническом обслуживании и ремонте подвижного состава; подбирать необходимые материалы и их свойства для проектируемых деталей машин;

владеть: методами оценки свойств конструкционных материалов, способами подбора материалов для проектируемых деталей машин и подвижного состава; методами производства деталей подвижного состава и машин.

СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ

Структура пояснительной записки расчетно-графической работы:

-титульный лист (оформляется согласно Приложению А);

-содержание;

-основная часть (текст, графики и схемы);

-список использованных источников (библиографический список).

Содержание включает введение, наименование всех разделов, подразделов, пунктов (если они имеют наименование) и заключение с указанием номеров страниц, с которых начинаются эти элементы расчетно-графической работы.

Основная часть должна содержать развернутые ответы на три задания расчетнографической работы, согласно номеру варианта. Номер варианта заданий назначает преподаватель.

3

При определении температур различных видов термообработки используются диаграмма состояния сплавов «железо–цементит» (Приложение Б) и Приложение В.

Правила оформления расчетно-графической работы

Страницы текста пояснительной записки расчетно-графической работы и включенные в неё иллюстрации, таблицы и распечатки с компьютера должны соответствовать формату А4. Допускается представлять иллюстрации, таблицы и распечатки на листах формата A3.

Текст пояснительной записки должен быть выполнен рукописным способом или с применением принтера (через полтора интервала, номер шрифта 12 или 14) на одной стороне листа белой бумаги. Текст следует печатать, соблюдая следующие размеры полей: левое – не менее 30 мм, правое – не менее 10 мм, верхнее – не менее 20 мм, нижнее – не менее 20 мм.

Все вопросы по металлам базируются на диаграммах состояний сплавов. Поэтому прежде чем приступить к ответам на вопросы, необходимо изучить строение и свойства металлов, основы теории сплавов; разобраться в понятиях: критическая точка, фаза, структурная составляющая; изучить принципы построения и особенности диаграмм состояний всех типов; усвоить все фазовые и структурные превращения, происходящие при нагреве и охлаждении сплавов. Отвечая на вопросы, следует приводить соответствующие схемы или графики. Вопросы требуют приведения ряда цифровых данных, которые имеются в ГОСТ, справочниках и учебной литературе.

Отвечая на вопрос задания № 1, необходимо:

начертить в масштабе диаграмму состояния «железо–углерод» (Приложение Б, рисунок Б1);

обозначить линии диаграммы;

в каждой области диаграммы указать структуры, образующиеся в сплавах данной системы при определенных температурах.

На оси концентрации углерода необходимо найти точку с процентным содержанием углерода, которое указано в задании. Через эту точку провести вертикальную линию, пересекающую все основные линии диаграммы. Полученные точки пересечения с основными линиями диаграммы являются критическими точками, а соответствующие им температуры – критическими температурами сплава (для чугунов таких температур три: t1, t2, t3; для сталей – t1, t2, t3, t4, t5, t6; температура t5, t6 – только для сплавов с содержанием С = 0,16…0,5 %);

Следует описать структурные и фазовые превращения в критических точках и на участках между ними при медленном охлаждении сплава с заданным содержанием углерода.

По правилу фаз определить число степеней свободы в каждой критической точке сплава и построить кривую охлаждения сплава.

4

Правило фаз (закон Гиббса) показывает, происходит ли процесс при постоянной температуре или в интервале температур и указывает, какое число фаз может одновременно существовать в системе. Правило фаз выражается уравнением

С = К + 2 – Ф,

где С – число степеней свободы, К – число компонентов внешних факторов (температура и давление); Ф – число фаз, находящихся в равновесии при рассматриваемых условиях.

При нормальных условиях давление оказывает незначительное влияние на фазовое равновесие сплавов в жидком и твердом состояниях, поэтому рассматривается только один внешний фактор – температура. Тогда уравнение примет вид:

С = К + 1 – Ф.

Число степеней свободы может быть только целым, не отрицательным, поэтому К – Ф + 1 ≥ 0. Если число степеней свободы равно нулю (С = 0), это означает, что превращения в рассматриваемой критической точке происходят при постоянной температуре. Процессы протекают в интервале температур, если С = 1 или С = 2.

Для заданного сплава при указанной температуре определить соотношение фаз, применяя правило отрезков (рычага). Применение правила рычага сводится к определению массовой концентрации какой-либо фазы при заданной температуре в двухфазной области диаграммы состояния. Для этого нужно через эту заданную точку провести горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями, ограничивающими область этих фаз на диаграмме. Чтобы найти массовую концентрацию фазы нужно разделить длину отрезка коноды, противолежащего данной фазе, на общую длину коноды.

Для доэвтектоидной стали с содержанием углерода 0,4 % при температуре 700 ºС, в котором имеются структурные составляющие феррит и перлит, провести горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими области 100 % фазы перлита и 100 % фазы феррита; опустив перпендикуляры из точек пересечения с основными линиями на ось концентрации, устанавливаем концентрацию углерода в полученных точках и по трем точкам (заданной и проекции точек на ось концентраций) рассчитывают соотношения фаз (Ф + П = 100 % ).

Определяя соотношение фаз для доэвтектического белого чугуна с содержанием 2,5 % углерода при температуре 900 ºС, в котором имеются структурные составляющие – аустенит, цементит вторичный и ледебурит, следует сначала выявить фазы, из которых состоит сплав при данных условиях (аустенит и цементит), и далее определить их количество в процентах. При этом важно учесть, что перлит и ледебурит являются механическими смесями фаз (перлит = феррит + цементит; ледебурит = аустенит + цементит; при температурах ниже 727 ºС ледебурит состоит из перлита и цементита или, в конечном итоге, из феррита и цементита). При заданной температуре фазовый состав сплава А + Ц = 100 %.

Охарактеризовать заданный сплав.

5

Сплавы с содержанием углерода 0,02…2,14 % называются сталями, а сплавы с содержанием углерода 2,14…6,67 % – чугунами. По фазовому составу стали подразделяются на доэвтектоидные (0,02 < C < 0,8 %); эвтектоидные (С = 0,8 %); заэвтектоидные (0,8 < C < 2,14 %). По фазовому составу чугуны подразделяются на доэвтектическе (2,14 < C < 4,3%); эвтектические (С = 4,3 %); заэвтектические

(4,3 < C < 6,67 %).

Отвечая на вопрос задания 2, необходимы знания маркировки и свойств легированных сталей, цветных сплавов, а также процессов термической и химикотермической обработки.

Отвечая на вопрос задания № 2, необходимо:

-по маркировке материала определить состав каждого сплава, его назначение. По марочнику сплавов [8], [9] определить исходные механические свойства материала;

-по наименованию изделия определить, какую функцию выполняет изделие, в каких условиях работает;

-выбрать марку сплава для указанного изделия, обосновать свой выбор;

-с использованием литературы [1], [2], [4], [5] выбрать технологию обработки изделия для получения конечных свойств;

-описать технологию обработки для получения конечных свойств и изменение структуры в процессе обработки;

-построить график термической обработки в координатах «температура–время»;

-объяснить, как определить конечные свойства в изделии.

Отвечая на вопрос задания № 3, необходимо знать превращения в сталях по диаграмме состояний «железо–цементит», принципы классификации сталей и процессы, происходящие при нагреве и охлаждении аустенита, а также классификацию видов термических обработок и их назначение.

Отвечая на вопрос задания № 3, необходимо:

-по заданным конечным свойствам выбрать вид или виды термических обработок для изделия из стали указанной марки;

-определить содержание углерода в заданной стали (С, %);

-по содержанию углерода установить фазовый состав стали (доэвтектоидная, эвтектодная, заэвтектоидная);

-начертить фрагмент диаграммы состояний «железо–цементит» (стальной уголок)

инанести на его ординату процент углерода (С, %) заданной стали;

-в зависимости от фазового состава и вида термообработки: (отжиг, закалка, нормализация, отпуск) по диаграмме состояний «железо–цементит» (стальному уголку) определить температуру выбранной термической обработки (Приложение В, рисунок В1, рисунок В2);

-на ординате указать температуру нагрева для соответствующей термической обработки (выбрать среду охлаждения);

6

-построить график термической обработки в координатах «температура –время». При этом время нагрева, выдержки и охлаждения можно назначать условно;

-необходимо указать цель термической или химико-термической обработки, обосновать выбранные температуры нагрева, описать изменения структуры стали;

-указать структуру в исходном, промежуточном (в нагретом до оптимальной температуры) и конечном (охлажденном) состояниях;

-построить график термической обработки.

При необходимости применения поверхностной закалки или химико-термической обработки следует изложить их сущность.

Задание № 1

Начертите диаграмму состояния «железо–углерод», укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы и дайте им определения. Опишите структурные и фазовые превращения при медленном охлаждении сплава с заданным содержанием углерода, используя данные, приведенные в таблице 1.

Охарактеризуйте этот сплав, определите для него при заданной температуре (по правилу отрезков) состав фаз и их количество (процентное соотношение). По правилу фаз определите число степени свободы в каждой критической точке сплава и постройте кривую охлаждения сплава.

Таблица 1 – Данные для задания №1

Задание № 2

По своему варианту задания из предложенных марок сплавов (таблица 2) выберите марку сплава для указанного изделия. Обоснуйте свой выбор. Опишите технологию обработки и структуру для получения окончательных свойств, которые указаны в варианте. Опишите, как определяются эти свойства.

Таблица 2 – Данные для задания № 2

Задание №3

По своему варианту задания (таблица 3) выберите режим термической обработки изделия из стали указанной марки стали для получения заданных свойств, обоснуйте свой выбор. Постройте график термической обработки изделия. На основе диаграммы состояний «железо–цементит» и построенного графика термической обработки опишите превращения, происходящие в структуре стали.

Таблица 3 – Данные для задания № 3