Тематика лабораторных работ

1) Определение механических свойств материалов.

2) Изучение диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов.

3) Микроструктура сталей и чугунов.

4) Влияние термической обработки на структуру и свойства сталей.

5) Методы поверхностного упрочнения деталей.

6) Микроструктура легированных сталей.

7) Микроструктура цветных металлов и сплавов.

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к изучению РАЗДЕЛА

Для успешного изучения материала раздела «Материаловедение» нужно усвоить основные понятия, определения и металловедческую терминологию. Необходимо уяснить, что свойства металлов определяются их строением и структурой. Требуется четко представлять принципиальную разницу в строении кристаллических и аморфных тел; разобраться в форме элементарных ячеек пространственных решеток металлов; понять, чем объясняется анизотропия свойств кристаллов, в чем физический смысл аллотропических (полиморфных) превращений, связанных с изменением свойств металла, и каково практическое значение аллотропии.

Важным является понимание существенного отличия реального кристаллического строения металла от идеального, лишенного структурных несовершенств, так как расположение атомов, близкое к правильному, встречается лишь в отдельных частях реальных кристаллов. Различные дефекты кристаллического строения (линейные искажения (дислокации), точечные дефекты – не занятые атомами места (вакансии) и включения чужеродных атомов (примеси), а также их перемещения с образованием скоплений) в значительной мере определяют характеристики прочности металла. Это влияние неоднозначно, так как уменьшая количество этих дефектов путем очистки металла от примесей способами химического рафинирования, электрошлакового переплава, зонной плавки, вакуумирования, а также используя способы сокращения числа дислокаций и вакансий, можно добиться приближения к идеальному строению кристалла и соответственно к теоретической прочности. Таким образом, например, удалось добиться прочности кристаллов железа до 15000 Мпа (реальная прочность их – не более 250 МПа); при некоторой критической концентрации дефектов кристаллического строения прочность металлов минимальна; повышения прочности можно добиться увеличением плотности дефектов кристаллического строения сверх критического, применяя наклеп, закалку, легирование.

Знание физической сущности характеристик механических свойств металлов и сплавов и методов определения их числовых значений исключительно важно для инженера.

При изучении процессов расплавления и кристаллизации металлов необходимо уяснить то, что причиной, приводящей к фазовым превращениям, является стремление системы к переходу в состояние с минимальным запасом свободной энергии. образование устойчивых центров кристаллизации, их количество и скорость роста кристаллов из этих центров определяются степенью переохлаждения сплава. Нужно иметь в виду, что образование дендритной структуры при кристаллизации является следствием неравномерности роста кристалла в разных направлениях. Необходимо также ознакомиться с условиями образования неоднородности химического состава сплава (ликвации) в пределах слитка и одного кристаллита, понять практическое значение этого явления.

Нужно разобраться в физическом смысле температурных остановок, проявляемых в виде площадок и перегибов на кривых охлаждения сплавов, и усвоить определение критической точки (критической температуры).

Взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях определяет структуру, а значит, и свойства сплава, поэтому важно выяснить условия, при которых оно происходит. Химическое соединение обладает особой кристаллической решеткой, отличной от кристаллических решеток компонентов, из которых оно состоит, и поэтому его свойства резко отличаются от свойств этих компонентов. Зная объемное соотношение и механические свойства отдельных фаз и структурных составляющих сплава, можно предопределить его поведение под действием внешних сил в том или ином состоянии, например большую пластичность чистых металлов, повышенную хрупкость механических смесей и особенно химических соединений.

При изучении металлических сплавов, прежде всего, нужно научиться анализировать диаграмму их состояния, пользуясь правилом фаз и правилом отрезков. При этом необходимо уметь определять процентное соотношение фаз и структурных составляющих для данного состояния сплава (температура, химический состав). Важно понять разницу между эвтектическим и эвтектоидным превращениями.

Для изучения железоуглеродистых сплавов необходимо научиться анализировать диаграмму состояний «железо – цементит»; знать состав, строение и условия образования различных фаз и структурных составляющих; понимать, в чем структурное различие между техническим железом, сталью и чугуном; разобраться, как влияет углерод и нормальные (постоянные) примеси – кремний, марганец, сера и фосфор – на свойства сталей, в чем состоит вредное влияние фосфора и серы, определяющие явления хладно- и красноломкости стали. Нужно понять, какие требования предъявляются к сталям обыкновенного качества и к качественным сталям, знать обозначение марок этих сталей (маркировку) в соответствии с действующими стандартами (см. Приложения 1 и3).

Химический состав и механические свойства сталей должны соответствовать требованиям государственных стандартов. Для углеродистых сталей обыкновенного качества это соответствие проверяется по ГОСТ 380-2005, для углеродистых качественных – по ГОСТ 1050-88, для углеродистых инструментальных – по ГОСТ 1435-99, для легированных – по ГОСТ 19281-89, 14959-79 и др. в зависимости от способа раскисления может быть получена сталь различного качества. способ раскисления обозначается в конце марки стали следующими индексами: сп – сталь спокойная, пс – полуспокойная, кп – кипящая.

В ответах на вопросы, касающиеся конкретных марок сплавов, необходимо на основании ГОСТов указать принципы их классификации и привести примеры. Например, серые чугуны по ГОСТ 1412-85 маркируются так: СЧ25, где СЧ – серый чугун, 25 – предел прочности при растяжении s_в (250 МПа); ковкие чугуны (ГОСТ 1215-79) – КЧ45-7, где КЧ – ковкий чугун; 45 – предел прочности при растяжении s_в (450 МПа), 7 – относительное удлинение d в процентах; высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293-85) – ВЧ80, где 80 – s_в (800 МПа); ЧВГ30 – чугун с вермикулярным графитом для отливок ГОСТ 28394-89, где 30 – предел прочности при растяжении s_в (300 МПа).

При изучении процесса графитизации важно уяснить, каково влияние элементов Si, Mn, S, P и элементов-модификаторов на процесс графитизации и форму графитных включений и соответственно на механические и эксплуатационные свойства отливок.

Необходимо понять связь между способом нагружения, напряженным состоянием и характером разрушения. Важно усвоить, что поведение одного и того же сплава в образце при одноосном статическом нагружении, например при растяжении или изгибе, и в детали при сложном нагружении, например при одновременном действии изгиба и кручения, различно. на характер разрушения (хрупкое или вязкое) оказывают существенное влияние температура и скорость нагружения, определяющие степень предшествующей пластической деформации, которая приводит к увеличению плотности дислокаций, изменению субструктуры и соответственно к изменению свойств сплавов. конструкционная прочность деталей машин не только связана с характером нагружения, но и с наличием концентраторов напряжений (надрезов, рисок, выточек и пр.).

Термическая обработка – один из основных способов влияния на строение, а следовательно, и на свойства сплавов. Сущность термической обработки стали и чугуна можно понять, зная структурные превращения, происходящие при нагреве и охлаждении железоуглеродистых сплавов с различным содержанием углерода.

изучение структурных превращений при нагреве наклепанного металла предполагает рассмотрение рекристаллизационных процессов. следует четко определять три стадии рекристаллизации (возврат, первичную и собирательную рекристаллизацию), связав изменения микроструктуры с изменением свойств по этим стадиям. Необходимо особо отметить практическое значение температуры «порога» рекристаллизации.

Необходимо разобраться, какие превращения претерпевают феррит, перлит и ледебурит при нагреве и какое влияние оказывает степень переохлаждения (скорость охлаждения) на превращение аустенита. Вопросы охлаждения аустенита лучше разобрать, используя диаграмму его изотермического распада, и на ее основе уяснить, при какой скорости охлаждения образуются перлит, сорбит, троостит и мартенсит, что называется критической скоростью охлаждения при закалке, в чем разница между мартенситом и приведенными выше структурами.

Следует иметь в виду, что чем ниже содержание углерода в стали, тем больше критическая скорость ее охлаждения при закалке, вследствие чего низкоуглеродистые стали (менее 0,3 % С) практически не закаливаются. Нужно усвоить следующее: при образовании мартенсита кристаллическая решетка железа в результате полиморфного превращения (g ® a) перестраивается из гранецентрированной кубической в объемно центрированную, но так как скорость охлаждения сплава при этом выше критической, углерод из железа не успевает выделиться, а остается в твердом растворе. В результате этого превращения образуется пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе, который получил название «мартенсит». При этом объемно центрированная кубическая кристаллическая решетка мартенсита искажается и становится объемно центрированной тетрагональной.

Процесс образования мартенсита бездиффузионный, так как при температуре мартенситного превращения низка скорость диффузии углерода. Образование мартенсита происходит между температурой начала (М_н) и температурой конца (М_к) мартенситного превращения тем полнее, чем ниже температура превращения в этом интервале. Интервал мартенситного превращения при увеличении содержания углерода смещается в область более низких температур. Часть аустенита, находясь между образовавшимися пластинами мартенсита в состоянии всестороннего сжатия, не превращается в мартенсит. Этот остаточный аустенит снижает твердость стали, поэтому для уменьшения количества остаточного аустенита некоторые стали необходимо охлаждать до отрицательной температуры (– 40°С и ниже). Такая обработка называется обработкой холодом.

Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Структура и свойства формируются при отпуске закаленной стали, поэтому необходимо разобраться в структурных превращениях, происходящих при отпуске стали, и их влиянии на изменение свойств стали после закалки и отпуска (низкого, среднего и высокого). Важно понять, почему уменьшается искаженность (тетрагональность) мартенсита, какие условия необходимы для перехода остаточного аустенита в мартенсит и для его распада на ферритоцементитную смесь. Под улучшением стали понимают закалку на мартенсит с последующим высоким отпуском на сорбит.

При рассмотрении вопросов термической обработки чугуна нужно изучить процесс графитизирующего отжига, который применяется для получения ковкого чугуна.

Поверхностная прочность деталей может быть повышена непосредственно термической обработкой, химико-термической обработкой (ХТО) и методами пластической деформации поверхности. Важно уяснить, какие конструкционные стали относятся к улучшаемым (подвергаются термическому улучшению), а какие – к цементируемым (упрочняются ХТО), а следовательно, какой способ упрочнения нужно выбрать для детали, изготовленной из той или иной марки стали в зависимости от ее химического состава.

При ознакомлении с различными способами термического поверхностного упрочнения особое внимание нужно уделить высокочастотной закалке. Изучение различных методов химико-термической обработки необходимо начать с цементации в твердой, газовой и жидкой средах (карбюризаторах). После этого можно рассматривать и другие виды ХТО, так как принцип всех методов химико-термической обработки один и тот же: получение насыщающего вещества в атомарной форме (диссоциация), адсорбирование (захват) этих атомов поверхностью металла и диффузия их внутрь металла. Необходимо уяснить назначение отдельных процессов ХТО и влияние их на свойства, приобретаемые поверхностью изделий: износоустойчивость, усталостную прочность, коррозионную устойчивость.

Для изменения структуры и свойств стали легируют. Рассматривая влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей, необходимо изучить особенностивновь появляющихся фаз: легированного феррита, легированного аустенита и специальных карбидов. Нужно иметь в виду, что принципы термической обработки как для углеродистых, так и для легированных сталей остаются неизменными. однако положение критических точек у них в зависимости от состава меняется и соответственно меняются структура в равновесном состоянии, критическая скорость закалки, прокаливаемость и закаливаемость стали, необходимая температура нагрева для различных видов термической обработки. Надо помнить, что легирующие элементы в зависимости от их содержания по-разному влияют на структуру и свойства стали как в исходном, так и в термообработанном состоянии.

Необходимо ознакомиться с порошковыми твердыми сплавами, применяемыми как для наплавки изношенных поверхностей деталей машин, так и для изготовления твердосплавных пластин для режущего инструмента. Особое внимание нужно обратить на температуростойкость (красностойкость) и твердость этих сплавов. Требуется изучить современную технологию производства порошковых материалов, которая позволяет получать изделия с весьма ценными свойствами при минимальных затратах, ознакомиться с основными видами изделий порошковой металлургии, с их свойствами и областью использования.

Следует уяснить, почему применение большинства цветных металлов в технике ограниченно, а их сплавы используются широко.

важно ознакомиться с диаграммами состоянии сплавов «медь – цинк» (латуни), «медь – олово» (оловянистая бронза), «алюминий – кремний» (силумины) и «алюминий – медь» (дуралюмины) с тем, чтобы выяснить взаимозависимость структуры и свойств тех или иных промышленных сплавов. Необходимо понять, почему изделия из этих сплавов получают как методами пластической деформации при обработке давлением, так и литьем. Необходимо разобраться в маркировке сплавов меди и алюминия, знать области их применения и уметь привести конкретные примеры. Например, медь по ГОСТ 859-78 (в зависимости от содержания примесей) маркируется так: МОО, МО, Ml, M2, М3 и М4; литейные латуни (ГОСТ 17711-80) – ЛЦ40С, где Л – латунь; Ц – цинк (40 %); С – свинец (1 %). Деформируемые бронзы маркируются иначе (ГОСТ 5017-74): БрОФ4-0,25, где Бр – бронза; О – олово; Ф – фосфор; цифры – их среднее содержание в процентах.

В зависимости от содержания примесей различают алюминий высокой чистоты (например, марки А99 – не менее 99,99 % Al, А95 – не менее 99,95 % Al) и алюминий технической чистоты (например, марки А0 – не менее 99,0 % Al, А1 – не менее 99,1 % Al, АД0, АД1, где буква «Д» – деформированный). сплавы алюминия маркируются так: деформируемые не упрочняемые термической обработкой (ГОСТ 4784-74) – АМц (содержится марганец), АМг2 (магний – 2 %); упрочняемые термической обработкой – дюралюминий Д16 (медь, магний, марганец), высокопрочный В95 (медь, марганец, магний, хром, цинк), ковочный АК6 (то же и кремний).

Литейные алюминиевые сплавы маркируются по ГОСТ 1583–93: после буквы А стоят буквы, обозначающие легирующие элементы, и сразу после нее – количество весовых процентов данного элемента (середина марочного интервала). В конце марки могут быть строчные буквы, указывающие на количество примесей в сплаве: ч – чистый; пч – повышенной чистоты; оч – особой чистоты; р – рафинированный. Например. Сплав АК9пч ГОСТ 1583–93 – алюминиевый литейный сплав с содержанием 9 % кремния (К9) повышенной чистоты. Сплав АМ5 ГОСТ 1583–93 – алюминиевый литейный сплав с содержанием 5 % меди. В зависимости от режима термической обработки в обозначение марки сплава вводят в скобках букву «Т» и номер одного из восьми режимов термической обработки (Т1 – Т8). Например, АМ5 (Т2), где Т2 – отжиг при 300°С, если Т7 – закалка и старение при 290°С.

Особое внимание нужно обратить на процессы старения деформируемых алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой после их закалки. изучив превращения в структуре и изменения свойств, следует разобраться в физической сущности упрочнения при старении (когерентность кристаллических решеток твердого раствора и образующегося химического соединения).

Среди неметаллических материалов очень важны синтетические полимерные материалы. К ним относятся различные пластмассы, резина, клеи и лакокрасочные материалы.

Важно четко представлять, что полимер – химическое вещество специфического строения, а полимерный материал – технический продукт, изготовленный из полимера или на его основе. Полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, эластичном и текучем (состояние полимера обусловлено его структурой и температурой нагрева).

Свойства полимеров зависят от их химического состава (карбо-, гетероцепные и элементоорганические), а также от количественного соотношения атомов в молекуле и от их сочетания. Например, замена водорода углеводородным радикалом приводит к увеличению эластичности и морозостойкости и к снижению прочности, твердости и теплостойкости.

Важно изучить и уметь оценивать эксплуатационные свойства пластмасс, так как в ряде случаев они могут с успехом заменить другие материалы, в том числе и металлические материалы. например, стекловолокнистый анизотропный материал (СВАМ) превышает по удельной прочности сталь, титан и дюралюминий; политетрафторэтилен (фторопласт) обладает высокими диэлектрическими свойствами, а гетинакс – высокими фрикционными свойствами.

Необходимо понять роль защитных покрытий металлических и неметаллических изделий, изучить классификацию покрытий, технические требования к ним и определить технико-экономическую эффективность их применения как средства борьбы с коррозией металлов.

3. ЗАДАНИЯ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ

Таблица 1

Перечень номеров вопросов по вариантам заданий

Вариант задания*	Номера вопросов задания	Вариант задания*	Номера вопросов задания
30, 60, 90 29, 59, 89 28, 58, 88 27, 57, 87 26, 56, 86 25, 55, 85 24, 54, 84 23, 53, 83 22, 52, 82 21, 51, 81 20, 50, 80 19, 49, 79 18, 48, 78 17, 47, 77 16, 46, 76	1, 31, 61, 91, 121, 151 2, 32,62, 92, 122, 152 3, 33, 63, 93, 123, 153 4, 34, 64, 94, 124, 154 5, 35, 65, 95, 125, 155 6, 36, 66, 96, 126, 156 7, 37, 67, 97, 127, 157 8, 38, 68, 98, 128, 158 9, 39, 69, 99, 129, 159 10, 40, 70, 100, 130, 160 11, 41, 71, 101, 131, 161 12, 42, 72, 102, 132, 162 13, 43, 73, 103, 133, 163 14, 44, 74, 104, 134, 164 15, 45, 75, 105, 135, 165	15, 45, 75 14, 44, 74 13, 43, 73 12, 42, 72 11, 41, 71 10, 40, 70, 00 09, 39, 69, 99 08, 38, 68, 98 07, 37, 67, 97 06, 36, 66, 96 05, 35, 65, 95 04, 34, 64, 94 03, 33, 63, 93 02, 32, 62, 92 01, 31, 61, 91	16, 46, 76, 106, 136, 166 17, 47, 77, 107, 137, 167 18, 48, 78, 108, 138, 168 19, 49, 79, 109, 139, 169 20, 50, 80, 110, 140, 170 21, 51, 81, 111, 141, 171 22, 52, 82, 112, 142, 172 23, 53, 83, 113, 143, 173 24, 54, 84, 114, 144, 174 25, 55, 85, 115, 145, 175 26, 56, 86, 116, 146, 176 27, 57, 87, 117, 147, 177 28, 58, 88, 118, 148, 178 29, 59, 89, 119,149, 179 30, 60, 90, 120, 150, 180

* Выбирается по двум последним цифрам шифра студента.