методички / 4015 ЭИ

структуры в поверхностных слоях деталей с сохранением равновесной структуры сердцевины. Глубина упрочненных слоев может составлять от 0,8…4 мм. Чаще всего поверхностной закалке подвергают детали из улучшаемых и низколегированных сталей, а также сталей пониженной прокаливаемости.

Основой всех видов химико-термической обработки является взаимодействие сплава с веществом (С, N и др.) в атомарной форме и диффузия их внутрь обрабатывае-

мой поверхности в процессе нагрева (цементация, азотирование, борирование, нитроцементация, цианирование, сульфоцианирование). Толщина образующегося слоя зависит от температуры нагрева для насыщения поверхности, концентрации элементов и времени выдержки. Формирующиеся слои деталей, применяемых на железнодорожном транспорте, отличаются новым уровнем свойств (износоустойчивость, усталостная прочность, коррозионная выносливость). Диффузионная металлизация – насыщение поверхностей детали металлами: алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (си-

лицирование), цинком (цинкование), титаном (титанирование).

Жаростойкие и жаропрочные стали. Под жаростойкостью (окалиностойкостью) понимают сопротивление металла окислению в газовой среде при высоких температурах. Детали из них в слабонагруженном состоянии используют при температурах выше 550 °С. Стали легируют хромом, алюминием и кремнием. Стали легированные Cr и Si

называют сильхромами, Cr и Al – хромалями, Cr-Al-Si – сильхромалями. Изделия из стали мартенситного класса 40Х9С2 подвергают закалке с последующим отпуском. Детали из жаропрочных сталей используют при работе под нагрузкой определенное количество часов. За счет легирования и термической обработки (закалка с последующим старением) формируется специальная гетерогенная структура из твердого раствора с дисперсными карбидами и интерметаллическими фазами. Большей жаропрочностью обладают стали аустенитного класса, их рабочие температуры достигают 700…750 °С. Сталь 45Х14Н14В2М с карбидным упрочнением подвергают закалке и старению. Сталь с интерметаллидными упрочнениями 10Х11Н20Т3Р содержит небольшое количество углерода. Применяют для изготовления камер сгорания, дисков и лопаток турбин, а также сварных конструкций.

Износостойкая высокомарганцовистая аустенитная сталь 110Г13Л (1,25 % С; 13 % Mn; 1 % Cr; 1 % Ni) при низкой начальной твердости (180…220 НВ) успешно работает на износ в условиях абразивного трения, сопровождаемого воздействием высокого давления и больших динамических нагрузок (щеки дробилок, крестовины стрелочных переводов). В процессе эксплуатации твердость поверхности возрастает до 530 НВ вследствие холодной деформации.

Из инструментальных легированных сталей изготавливают инструмент режущий, мерительный, штамповочный. Сталь для режущего инструмента должна иметь твердость не ниже 62 HRC и обладать красностойкостью. К этой группе относятся быстрорежущие стали марки Р18 и др. В состав стали входит 0,75 % С; 4,25 % Cr; 18 % W и 1,2 % V. Изготовленный из нее инструмент длительно сохраняет режущую способность при повы-

11

шенных скоростях резания в сравнении с инструментом из углеродистой стали. Сталь Р18 после неполной закалки и трехкратного низкого отпуска имеет структуру мелкоигольчатого мартенсита и карбидов, твердость ее 64…67 HRC. Мерительный инструмент (калибры, скобы) изготавливают из стали типа ХВГ. Сталь должна сохранять твердость, износостойкость и размеры в процессе изменения температур окружающей среды. Штампы изготовляют из сталей марок Х12М, Х112Ф, 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХГМ, они должны сочетать твердость и вязкость. Матрицы и пуансоны, работающие в особо тяжелых температурных условиях, и пресс-формы для литья под давлением изготавливают из сталей марок 3Х2В2Ф и 4Х8В2.

Следует уяснить, почему чистые цветные металлы применяются ограниченно, а сплавы на основе меди, алюминия и титана – более широко. Цветные металлы отличаются по температуре плавления. Необходимо понять, почему изделия из этих сплавов получают как методами пластической деформации при обработке давлением, так и литьем. Следует изучить маркировку сплавов меди и алюминия, знать области их применения на железнодорожном транспорте и уметь привести конкретные примеры.

Медь маркируется: М00, М0, М1, М2, М3 (ГОСТ 859) в зависимости от содержания примесей; плотность 8 960 кг/м3. Сплавы на основе меди – латуни и бронзы. Латунь литейная для получения изделий литьем ЛЦ40С (ГОСТ 177110), где Л – латунь, Ц – цинк (40 %), С – свинец (1 %), медь – остальное. Бронза деформируемая БрОФ4-0,25 (ГОСТ 5017), где Бр – бронза; О – олово, Ф – фосфор, цифры – их процентное содержание, остальное – медь.

Чистый алюминий маркируется А0, А5 в литом состоянии или АД0, АД1 – после деформации. Плотность алюминия 2 700 кг/м3. Сплавы алюминия деформируемые: АМц (с марганцем), АМг2 (марганец – 1 % и магний – 2 % , ГОСТ 4784), Д16 (марганец, магний, медь), В95 (марганец, магний, медь, хром, цинк). В цифровой маркировке сплав В95 обозначается числом 1950: цифра 1 указывает на основу сплава (Al), 9 – на основные легирующие элементы, 5 – порядковый номер, 0 – на способ формообразования – деформируемый. АК6 – ковочный; литейный АЛ2 – силумины (с кремнием), АЛ19 (с медью, титаном, ГОСТ 2685). Особое внимание нужно обратить на теорию старения деформируемых алюминиевых сплавов, изучив превращения в структуре и изменения свойств при термической обработке – закалке и последующем искусственном старении, разобраться в физической сущности упрочнения при старении (когерентность кристаллических решеток твердого раствора и выделяющегося химического соединения).

Необходимо ознакомиться со структурой и свойствами подшипниковых сплавов – баббитов, обратив внимание на применяющийся в подвижном составе кальциевый баббит. Баббит Б83 состоит из олова (83 %), сурьмы (11 %), меди (6 %). Кальциевый баббит БК2 содержит свинец (98 %), серу (0,2 %), медь (0,15 %), а также кальций 0,4 %, натрий 0,3 %, алюминий 0,1 %. Лучшим антифрикционным сплавом является оловянносурьмянистый баббит, применяется для заливки подшипников компрессоров локомотивов. Кальциевые баббиты применяют в вагонах с шариковыми подшипниками.

12

Следует обратить внимание на особые преимущества титана и его сплавов – высокую удельную прочность и коррозионную стойкость промышленных сплавов. Плотностью титана выше, чем у алюминия, составляет 4500 кг/м3. Титановые сплавы легируют алюминием, марганцем, хромом, молибденом и другими элементами. По удельной прочности титановый сплав ИРМ6 превосходит высокопрочный алюминиевый сплав В95. Титановые сплавы упрочняют термической обработкой. Сплавы этой группы ВТ6 характеризуются оптимальным сочетанием технологических и механических свойств.

Необходимо ознакомиться с литыми и порошковыми твердыми сплавами, применяемыми как для наплавки изнашивающихся поверхностей деталей машин, так и для пластинок режущего инструмента. Методом порошковой металлургии получают разнообразные изделия горячим и холодным прессованием со спеканием при минимальных затратах на изготовление. Изделия отличаются уникальными свойствами по твердости и красностойкости. Твердые сплавы не изменяют структуру при повышенных скоростях резания вплоть до температуры плавления кобальтовой связки. Наша промышленность выпускает три группы твердых сплавов на основе карбида вольфрама ВК6, карбида титан и карбида вольфрама Т5К10, карбида вольфрама, карбида титана, карбида тантала ТТ7К12.

Среди неметаллических материалов очень важны синтетические полимерные материалы. При изучении их структуры необходимо обратить внимание на форму элементарных звеньев, их химический состав (карбоцепные, гетероцепные, элементоорганические) и связи в макромолекулах. Полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, эластичном и текучем, состояние полимера обусловлено его структурой и температурой среды. Свойства полимеров зависят также от количественного соотношения атомов в молекуле и их сочетания. Например, замена водорода углеводородным радикалом приводит к увеличению эластичности и морозостойкости, снижению прочности, твердости и теплостойкости.

Важно четко представлять, что полимер – химическое вещество специфического строения, а полимерный материал – технический продукт, изготовленный из полимера или на его основе. Ни одна отрасль техники не обходится без применения синтетических полимерных материалов. Следует усвоить принципы классификации синтетических смол и пластмасс в зависимости от реакции (полимеризация или поликонденсация) получения полимера, назначения и его структуры, а также от термомеханических свойств.

Термопластичные полимеры имеют линейное и разветвленное строение макромолекул, при нагревании размягчаются, а при охлаждении затвердевают многократно. Они поддаются регенерации. Термореактивные полимеры в процессе переработки изменяют линейную структуру макромолекул на сетчатую при затвердевании. Повторный нагрев не вызывает размягчения и расплавления полимера, повторно использовать изделия можно только после превращения их в порошок или зерна различных размеров и эти продукты использовать в качестве наполнителей или заполнителей новых изделий.

13

Полярные и неполярные полимеры отличаются распределением электронного облака вокруг основной цепи макромолекул. В полярных полимерах электронное облако смещается в сторону электроотрицательного атома, т. е. нарушается симметрия. По величине полярности определяют возможность применения полимера в качестве диэлектрика. При низких частотах в электротехнике применяют полярные полимеры (поливинилхлорид, фенопласты с древесной мукой, эпоксидные). Основными полимерами для изделий, работающих при высоких частотах, являются полиэтилен, полистирол, фторо- пласт-4.

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. Пластмассы представляют собой материалы на основе полимеров (простые) или сложные многокомпонентные составы, в которых кроме полимеров могут быть наполнители, пластификаторы, красители, отвердители, катализаторы и др.

Пресс-порошки готовят с использованием фенолформальдегидных (новолачных и резольных), кремнийорганических, эпоксидных, карбомидных и других смол. Готовые изделия получают прессованием. Детали (приборы зажигания, панели, патроны и др.) изотропны по свойствам, с низким сопротивлением ударной вязкости и удовлетворительными электроизоляционными характеристиками.

Слоистые пластики – анизотропные композиты, изготовленные прессованием или пропиткой с последующей намоткой, термообработкой с наполнителями из бумаги, тканей, волокон. Основными представителями этой группы пластиков являются гетинакс, текстолит, древесно-слоистые, стеклопластики. Слоистые пластики обладают высоким уровнем физикомеханических свойств, используются при изготовлении деталей элек- троизоляционно-конструкционного назначения в электрических машинах, аппаратах, трансформаторах, приборах. Стекловолокнистый анизотропный материал (СВАМ) имеет σв 200…600 МПа, температура эксплуатации для него 200…400 °С, по удельной прочности превосходит сталь с σв = 600 МПа в 3,5 раза.

ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

1.Контрольная работа должна выполняться студентом в соответствии с номером варианта, который определяется двумя последними цифрами номера зачетной книжки студента.

2.Титульный лист должен быть оформлен в соответствии с приложением А.

3.Контрольная работа оформляется в 12 листовых тетрадях в клетку, оставляя поля для замечаний преподавателя.

4.Работа должна быть выполнена аккуратно, четким, разборчивым почерком. Сокращение слов и подчеркивания в тексте не допускаются. Писать работу рекомендуется чернилами синего цвета.

5.Условия задания необходимо записывать полностью.

14

6.Все ответы должны быть краткими по форме и точными по содержанию. Ответы иллюстрируются рисунками, схемами или графиками.

7.В конце работы приводится перечень использованной литературы, и ставятся: дата выполнения контрольной работы и подпись студента.

ЗАДАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

Номера варианта задания и номера вопросов студент должен выбрать в соответствии с данными, приведенными в таблице.

15

Номера вопросов

1.Какие дефекты кристаллической решетки металлов влияют на механические свойства и почему?

2.Опишите процесс первичной и вторичной кристаллизации металлов. Как определяют критический размер зародыша?

3.В чем отличие кипящей стали от спокойной? Когда и какую рекомендуется при-

менять?

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

5.Изобразите схематически различные формы графита в чугунах. Как влияет форма графитных включений на механические свойства чугунов?

6.В чем отличие стали от чугуна по технологическим и механическим свойствам?

7.Что представляет собой микроструктура металлов? Как она определяется и в чем

еепрактическое значение? Приведите примеры.

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

9.Перечислите основные литейные свойства сплавов. Укажите факторы, влияющие на жидкотекучесть.

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.Опишите сущность процессов упругой и пластической деформаций с точки зрения кристаллического строения металлов.

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

14.Напишите о несовершенствах строения реальных кристаллов. Опишите способ упрочнения наклепом.

15.Определение пластичности, влияние на неё химического состава, структуры, температуры нагрева, скорости и степени деформирования сплава.

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 состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы. В чем заключается принцип построения диаграммы состояний?

19.С использованием приложения В начертите диаграмму состояний сплавов, не образующих твердых растворы, построите кривые охлаждения для пяти сплавов этой системы, на их примере поясните правило фаз Гиббса.

16

20.С использованием приложения В начертите диаграмму состояния сплавов, образующих твердые растворы с неограниченной растворимостью, и на ее примере объясните правило отрезков, рассчитайте количество жидкой и твердой фазы для произвольного сплава этой системы.

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

22.Перечислите явления, происходящие в металле при горячем деформировании.

Вчем отличие горячей и холодной деформаций?

23.Опишите явления, происходящие в деформированном металле при нагреве. Изложите понятие температурного интервала обработки металлов давлением и принцип его определения по диаграмме «железо–цементит».

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 классифицируют по ГОСТ конструкционные углеродистые стали? Где на железнодорожном транспорте они применяются?

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

30.Как определяются характеристики основных механических свойств металлов: прочности, пластичности, ударной вязкости? 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 понятие усталости металлов. Как определяется предел выносливости? Какие меры принимают для повышения выносливости металлов? Приведите примеры из области железнодорожного транспорта.

33.Напишите об особых физических свойствах сталей и сплавов.

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

35.Напишите о сущности 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?

17

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.Напишите о термомеханической (высоко и низкотемпературной) обработке 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.

Вчем ее практическое значение?

44.На диаграмме изотермического распада аустенита постройте график изотермической закалки эвтектоидной стали. В чем преимущества изотермической закалки перед обычной 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 Мн и Мк?

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

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

50.Напишите об изменениях 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 неполного отжига.

52.Как правильно выбрать температуру закалки на мартенсит для до- и заэвтектоиднойуглеродистойсталей? Опишитепревращения, происходящиевструктурепризакалке.

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.

18

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

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

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

59.Объясните, какие превращения происходят в структуре стали при нитроцементации. В чем практическое значение нитроцементации? 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.Как классифицируют легированные стали по химическому составу? Перечислите принципы маркировки легированных сталей, применяемых на железнодорожном транспорте.

62.Опишите классификацию легированных сталей по назначению. Приведите примеры их по каждой группе на подвижном составе.

63.Напишите о порошковых материалах. Как их получают и где применяют? Приведите примеры.

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

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

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

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

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

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

70.Основные методы повышения конструкционной прочности стали.

71.Напишите о рессорно-пружинных легированных сталях, в том числе о применяемых на подвижном составе. Каковы их состав, структура, термическая обработка, свойства?

72.Дайте характеристику стали для зубчатых колес (состав, структура, особенности термической обработки, свойства).

19

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

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

75.Напишите о низколегированных конструкционных сталях. Приведите примеры их применения на подвижном составе.

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

77.Какие требования предъявляют к подшипниковым сталям? Приведите примеры их использования на подвижном составе.

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

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

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

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

82.Хладостойкие стали. Основные критерии для выбора. Применение на транспорте.

83. Состав и требования к стали осевых заготовок подвижного состава железных дорог.

84.Какие стали применяют при изготовлении штампов для холодной деформации?

Вчем особенности термической обработки этих сталей?

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

86.Напишите о технологии получения, составе, структуре, свойствах твердых сплавов. Где и почему они применяются?

87.Состав стали цельнокатанных колес пассажирских и грузовых вагонов. Способы упрочнения ободов колес.

88.Напишите о сталях, обладающих особыми свойствами. Приведите примеры использования этих сталей в деталях дизеля тепловоза.

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

90.Состав, особенноститермическойобработки, структураисвойстварельсовойстали.

91.Выберите материал для изготовления литой антифрикционной втулки и для заливки подшипника. Расшифруйте марки этих сплавов. Приведите примеры других сплавов с антифрикционными свойствами (Г13Л, Б16, Р9, БрАЖ9-4, ВК-6 и др.).

20