Материаловедение

Вид материала

Методические указания

Содержание Программа и методические указания к темам дисциплины. С – число степеней свободы, К – Литература 2, стр. 378-472, 6, стр. 584-700. Варианты контрольной работы Варианты контрольной работы Рис.2. Диаграмма состояния железо-углерод Рис.7 Диаграмма состояния системы Рв Sв Рис. 11. Диаграмма состояния системы Mg-Ca Вi Sb Рис.16. Диаграмма состояния системы Вi-Sb

Подобный материал:

• Материаловедение 1, 26.57kb.
• Дисциплина «Материаловедение» Лекция, 167.85kb.
• Материаловедение. Особенности атомно-кристаллического строения металлов, 2225.68kb.
• Магистерской программы «Материаловедение металлических и неметаллических материалов, 24.46kb.
• Лекция 1   Материаловедение. Особенности атомно-кристаллического строения металлов, 2248.88kb.
• Программа курса электротехническое материаловедение для направлений подготовки бакалавров, 255.8kb.
• Примерная программа дисциплины стоматология модуль «материаловедение», 483.54kb.
• Vi международная научная школа-конференция «Фундаментальное и прикладное материаловедение», 99.7kb.
• Программа вступительного испытания в магистратуру по направлению 150100. 68 «Материаловедение, 430.47kb.
• Лекции по курсу «материаловедение» для студентов цдфо тула2003, 2252.78kb.

Министерство общего и профессионального образования РФ

Камский государственный политехнический институт


МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ


Программа, методические указания и контрольные задания для студентов-заочников технических специальностей.


г. Набережные Челны, 2002г.

УДИ 669. 017. (075.8.).

Материаловедение. Программа, методические указания и контрольные задания для студентов – заочников технических специальностей. Составитель: В.И. Астащенко, Наб. Челны, КамГПИ, 2002г.


Методические указания по курсу «Материаловедение» составлены в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по подготовке специалистов машиностроительного профиля, утверждённого государственным комитетом РФ по высшему образованию. Представлены основные разделы дисциплины для самостоятельного изучения студентами заочной формы обучения. Составлены и приведены варианты заданий для выполнения контрольной работы. В приложении представлены диаграммы двойных сплавов и диаграмма «Железо-карбид железа». После каждой темы программы приведены методические указания.


Работа выполнена на кафедре «Машины и технология литейного производства».

ИЛ.: 19

Рецензент: Главный специалист по термической обработке ОАО КамАЗ В.Г. Козлов.


Печатается в соответствии с решением научно-методического совета факультета автоматизации и прогрессивных технологий Камского государственного политехнического института

от_____ _______ 2002г.


Камский государственный

политехнический институт

2002г.

ВВЕДЕНИЕ

Материаловедение – наука, изучающая строение и свойства материалов в зависимости от их состава и условий обработки.

Курс материаловедение включает в себя два направления, а именно раздел по металловедению и термической обработке металлов и сплавов и раздел по неметаллическим материалам. Раздел металловедения изучает связь между состоянием, строением и свойствами металлов и сплавов и закономерности их изменения при воздействии различных факторов (тепловых, химических, механических, электромагнитных и т.д.). Раздел по неметаллическим материалам в основном посвящён изучению пластмасс.

При конструировании и изготовлении машин и приборов, организации их эксплуатации и ремонта инженер постоянно сталкивается с машиностроительными материалами и их использованием.

Для выпуска высококачественной продукции особое значение приобретают изучение свойств промышленных металлических материалов, разработка и внедрение в промышленность новых высокопрочных и технологичных сплавов, применение новейших методов их контроля и исследования.

Изучение курса «Материаловедение» должно дать будущим специалистам:

1. Знание об основных закономерностях, определяющих строение, состав и свойства материалов;
   
2. Представление об основных методах испытания материалов и принципом работы с приборами и машинами;
   
3. Умение самостоятельного пользования технической и справочной литературой и дать достаточные знания для выбора основных промышленных, а также новых перспективных материалов и эффективных методов их обработки для обеспечения надёжности и долговечности, изготавливаемых из них изделий;
   
4. Знание о перспективах развития и методах упрочнения рабочих поверхностей деталей.
   

Теоретической основой данного курса является соответствующие разделы дисциплины «Химия» (используются знания законов протекания химических реакций окисления и восстановления металлов, понятие о константах равновесия и т.д.), «Физика» (используются знания законов об агрегатном состоянии веществ и фазовых превращениях), «Технология конструкционных материалов» (используются знания атомно-кристаллического строения металлов и сплавов, кристаллизация, методы определения механических свойств материалов, понятие деформации и разрушения металла, маркировка черных и цветных металлов и сплавов и т.д.)

Вместе с другими дисциплинами студенты получают необходимую общеинженерную и технологическую подготовку необходимую как на производстве, так и при работе в научно-исследовательских и проектных институтах.

В таблице 1 приведены учебные планы для различных технических специальностей с указанием времени изучения дисциплины и выполнения контрольной работы, распределения общего объёма часов по видам занятий и формы итогового контроля с учётом базового образования студентов.


Учебный план технических специальностей

по дисциплине «Материаловедение».


Таблица 1.

№	Специальность	Базовое образо-вание.	Распределение по семестрам			Объём в часах					примечание
			экз	зач	контр	всего	лек	лаб	пр.	сам
1	1201	с/о	3	-	3	119	6	4	-	109
2	1201	с/с	2	-	2	119	6	4	-	109
3	1204	с/с	2	-	2	119	6	4	-	109
4	1502	с/с	-	5	5	60	2	2	-	56
5	1502	с/с	2	-	-	60	2	2	2	54

Примечание: с/о – среднее образование

с/с – среднее – специальное образование.

Согласно, учебного плана (см. табл.1) студент выполняет одну контрольную работу, состоящую из пяти заданий. Вариант контрольной работы должен строго соответствовать учебному шифру студента (см. группа №1-стр.34; группа №2-стр.52).

Выполненную контрольную работу студент обязан выслать в институт или представить на кафедру за месяц до начала установочно-экзаменационной сессии. Экзамен принимается после зачтения контрольной работы. На странице 70 приводится перечень рекомендуемой литературы. В основной литературе освещены все вопросы программы. Использование дополнительной литературы позволит более глубокому изучению отдельных вопросов. В каждом разделе приводится программа, методические указания и литература с указанием конкретных страниц.

Программа и методические указания к темам дисциплины.

Тема 1. Классификация материалов.

Структурная схема основных материалов применяемых в машиностроении. Основные свойства характеризующие металлы. Новые материалы для изделий машиностроительной промышленности.

Методические указания.

Материалы, используемые в народном хозяйстве можно условно разделить на две группы: металлы и металлические сплавы и неметаллы. Первую группу составляют чёрные и цветные металлы и сплавы. Железо и сплавы на его основе (чугун, сталь, ферросплавы) называют чёрными. На основе железа изготавливают около 95% всех конструкционных и инструментальных материалов. Это связано с большим содержанием его в земной коре, низкой стоимостью и высокими технологическими и механическими свойствами. Остальные металлы (медь, никель, алюминий, золото, серебро и т.д.) и сплавы на их основе относят к цветным. Это металлы со специальными свойствами: малая плотность, химическая инертность, низкая или высокая температура плавления и т.д.

Металлы и металлические сплавы – тела кристаллические, атомы расположены в металлах в строго определённом порядке. Они обладают рядом характерных свойств: высокая термопроводимость и электрическая проводимость; положительный коэффициент электрического сопротивления; хорошая отражательная способность; высокая способность к пластической деформации.

В современной технике широко применяют стали, которые обеспечивают высокую конструктивную прочность, а также сплавы, которые остаются прочными при высоких температурах, вязкими при температурах близких к абсолютному нулю, обладающие высокой коррозийной стойкостью в агрессивных средах или другими физико-химическими свойствами. Число новых сплавов постоянно растёт – это так называемые композиционные материалы, сплавы с памятью формы, обладающие эффектом сверх - пластичности и т.д.

Основу группы неметаллов составляют пластмасса, каучук, резина, стекло, керамика и т.д. Такие материалы при достаточной прочности обладают хорошей химической стойкостью, диэлектрическими свойствами и малой плотностью. Они технологичны и эффективны при использовании в различных отраслях машиностроения.

Литература: 1, 3-36; 3, 9-32


Вопросы для самопроверки.

1. Каковы характерные свойства металлических материалов и неметаллов?
   
2. Что такое сталь, чугун, латунь, бронза, силумины и дюралюмины?
   
3. Какие материалы обладают свойствами анизотропии и изотропии?
   
4. Охарактеризуйте основные параметры кристаллической решётки и их связь со свойствами материалов?
   
5. Укажите причину изменения свойств материала под действием давления и температуры? Что такое полиморфные превращения?
   

Тема 2. Основы теории сплавов.

Изучите строение материалов и сплавов в твёрдом состоянии. Необходимо чётко представлять, что такое твёрдый раствор, химическое соединение и механическая смесь. Изучите принцип построения диаграммы состояния сплавов. Типы диаграмм состояния. Научитесь пользоваться правилом фаз и отрезков и устанавливать фазовый состав сплава. Отчётливо представляйте связь между составом сплава и его свойствами с помощью правила Курнакова.

Методические указания.

Сплав это вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. (компонентов). Строение сплава зависит от типа взаимодействия компонентов образующих сплав. В металлических сплавах возможно получение механической смеси, химических соединений и твёрдых растворов.

Составляющие сплав вещества могут вступать в химическое взаимодействие, образуя химические соединения по правилу валентности, или взаимно растворяться друг в друге, образуя растворы внедрения или замещения. Строением сплава может быть механическая смесь, если в твёрдом состоянии отсутствует механическое взаимодействие. Диафрагмы состояния сплава строят экспериментальным путём, которые представляются в графической форме и показывают изменение состава в зависимости от содержания компонентов и температуры. Диаграммы состояния позволяют определить, какую структуру будут иметь медленно охлаждённые сплавы, а также решить вопрос о том, можно ли добиться изменения микроструктуры в результате теплового воздействия (термической обработки сплава).

Вид диаграммы определяется характером взаимодействия, которые возникают между компонентами в жидком и твёрдом состояниях.

Типичными диаграммами состояния металлических сплавов являются диаграммы:

а) с неограниченной растворимостью компонентов друг в друге;

б) с ограниченной растворимостью компонентов;

в) с образованием химических соединений;

г) с полиморфным превращением.

Концентрация компонентов и количество фаз у сплава определяется правилом отрезков. Это правило применимо только для двухфазных областей в двойных диаграммах состояния сплавов.

Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз, отвечающих теоретическим условием равновесия, могут быть выражены правилом фаз.

, где

С – число степеней свободы,

К – количество компонентов составляющих сплав,

f – количество фаз,

2 – число переменных (давление и температура).

Если принять, что все превращения в сплавах протекают при постоянном давлении, то правило фаз примет следующий вид.



При числе степеней свободы равной «о» система находится в равновесии при строго определённой температуре (жидкая и твёрдая фазы).

Свойства любого сплава зависят от того, какие соединения или какие фазы образовали компоненты сплава.

В качестве примера по изучению фазового и структурного состояния сплавов рассмотрим диаграмму системы «олово-цинк» (Sn - Zn) (смотри приложение (рис. 1))

Согласно этой диаграммы линия АВС – линия ликвидус, а линия ДВЕ – солидус. Кроме того, линия ДВЕ соответствует температуре, при которой в процессе охлаждения сплавов в них протекает эвтектическая реакция с образованием эвтектики.

Сплавы системы «олово-свинец» в основном применяются в качестве мягких припоев.

При содержании  8% Zn и 92% Sn образуется эвтектический сплав. Температура его образования при кристаллизации соответствует 199⁰С.



В качестве припоев применяют сплавы с содержанием олова 90,70,60 и 40% марок ПОЦ – 90, ПОЦ – 70, ПОЦ – 60 и ПОЦ – 40.

Наилучшим из этой серии является сплав ПОЦ -90, так как он имеет самую низкую температуру кристаллизации 202⁰С. Эти сплавы имеют более высокую прочность, нежели оловянно свинцовистые сплавы.

При образовании смесей олово-цинк свойства сплава изменяются по линейному закону, следовательно, значения свойств сплава находятся в интервале между свойствами чистых компонентов.

Литература: 1, 37-65; 3, 88-123; 3, 139 – 141.

Вопросы для самостоятельной проверки.

1. Охарактеризуйте, что такое компонент, сплав, фаза и система?
   
2. Как проводят построения диаграмм состояния сплавов? Что такое линия солидус и ликвидус?
   
3. В чём различие между эвтектической, эвтектоидной и перитектической реакциями? Запишите их и проведите фазовый и структурный анализ?
   
4. В чём сущность и назначение правила Курнакова?
   
5. Что такое твердые растворы внедрения и замещения?
   
6. Изобразите основные виды диаграммы состояния сплавов? Проведите структурный и фазовый состав сплавов по этим диаграммам.
   

Тема 3. Железо и его сплавы.

Диаграмма состояния «Железо-цементит». Построения кривых охлаждения (нагрева) для железоуглеродистых сплавов с применением правила фаз. Классификация углеродистых сталей по структуре, качеству и степени раскисления. Маркировка и назначение углеродистых сталей. Классификация и маркировка чугунов. Свойства, назначение и способы получения белых, серых ковких и высокопрочных чугунов. Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа и на превращение в сталях. Получение сталей ферритного, мартенситного, ледебуритного и аустенитного класса. Маркировка, свойства и назначения легированных сталей.

Методические указания.

Наибольшее применение в промышленности имеют сплавы железа с углеродом – стали и чугуны. Поэтому изучение диаграммы состояния «железо-углерод» является основной задачей в подготовке специалистов машиностроительных предприятий. Указанная диаграмма (см. приложение рис. 2) показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита Fe₃С (6,67% углерода). На диаграмме Fe – Fe₃C показаны характерные точки и линии. Линия АВСД (линия ликвидус) показывает температуру начала кристаллизации из жидкого сплава кристаллов твердой фазы. Линия АНJЕF (линия солидус) является температурной границей, ниже которой сплавы находятся только в твёрдом состоянии. Характерными линиями являются также линия НJB, ECF и PSK. При температуре (1499⁰С) (линия HJB) в сплавах протекает перитектическая реакция с образованием аустенита, состав которого по углероду соответствует точке «J».



При температуре 1147⁰С (линия ЕСF) в процессе охлаждения в сплавах протекает эвтектическая реакция с образованием ледебурита (Л) - смеси состоящей из аустенита (А) и цементита (Ц).



Линия РSК – линия эвтектоидного превращения, которая при охлаждении соответствует распаду аустенита с образованием эвтектоида – феррито - цементитной структуры, получившей название перлит.



Используя диаграмму «железо-углерод» рассмотрим изменения фазового состава сплава с содержанием 0,45% углерода. В приложении на рисунке 3. приведена кривая охлаждения для такого сплава. Точки на кривой охлаждения соответствуют точкам указанным на диаграмме Fe – Fe₃C (см. приложение рис.2)

При температуре 1499⁰С во время охлаждения сплава протекает перитектическая реакция, сущность которой состоит в следующем:



Образующийся аустенит имеет состав соответствующий точке «J». По содержанию углерода это 0,16%.

При дальнейшем охлаждении сплава вплоть до температуры соответствующей точки 3 система состоит из аустенита и жидкости. Окончательный переход жидкости в аустенит завершается при этой температуре, между температурами точек 3 и 4 сплав имеет аустенитную структуру.

При температуре 727⁰С (точка 5) во время охлаждения сплава в нем протекает эвтектоидное превращение.



В результате этого превращения образуется механическая смесь, состоящая из феррита и цементита, то есть перлит. Содержание углерода в этой смеси – 0,8%. Последующее охлаждение до комнатной температуры не вызывает дополнительных превращений и структура сплава состоит из перлита и феррита.

В настоящее время в промышленности используется более 1500 марок сталей. По химическому составу стали, подразделяются на углеродистые и легированные. А любой стали, присутствуют постоянные (Si, Mn, S, P) и скрытые (О₂, N₂, Н₂) примеси. По содержанию углерода стали, бывают доэвтектоидные (С0,8%) структура «перлит + феррит», эвтектоидные (С0,8%) структура «перлит », и заэвтектоидные (0,8 С 2,14%) структура «перлит + цемент». В зависимости от степени раскисления расплава Si, Mn и Аl стали, имеют различную степень загрязнения и называются спокойными (С.П.), полуспокойными (П.С.) и кипящими (К.П.). Наличие в стали серы и фосфора является основным критерием оценки её качества. В таблице 2 приведены предельно – допустимые содержания вредных примесей в стали различного качества.

Таблица 2.

№	Качество стали	Содержание вредных примесей, в %		Интервал колебания по содержанию углерода	Условное обозначение
		сера	фосфор
1	2	3	4	5	6
1	Сталь обык-новенного качества	0,06	0,07	0,09	Ст.0 Ст.1 Ст.6
2	Сталь качественная	0,04	0,035	0,08	Ст.45 40Х
3	Сталь высо-кокачествен-ная	0,025	0,025	0,07	Буква «А» в конце маркировки
4	Сталь особо-высокока-чественная	0,015	0,015	0,07	Буква «Ш» в конце маркировки

Легированные стали – сплавы, в состав которых введены химические элементы для придания специальных свойств. Поэтому в маркировке стали в обязательном порядке указывают наличие такого элемента. Каждый легирующий элемент обозначают строго определённой буквой, а его количество указывают цифрой после буквенного обозначения. Отсутствие цифры означает, что такого легирующего элемента составляет  11,5% и менее. Условное обозначение, Х – хром; Н – никель; Т – титан; С – кремний; М – молибден; Ю – алюминий; Ф – ванадий; В – вольфрам; Д – медь; Г – марганец; К – кобальт; Б – ниобий; А – азот; Р – бор.

Примеры обозначения углеродистых и легированных марок сталей:

Ст. 0; Ст. 1Ст. 6- углеродистые стали обыкновенного качества. Цифра указывает на порядковый номер.

Сталь 10, Сталь 15 и т.д. – Стали углеродистые качественные. Цифра указывает на содержание углерода в сотых долях процента, а именно 0,10%; 0,15% и т.д.

Сталь 40Х – сталь качественная легированная, содержащая углерода 0,4%; хрома  1%, серы 0,035% и фосфора 0,035%.

Сталь 20Х2Н4ВА – сталь высококачественная легированная, содержащая: Углерод – 0,2%

Хром – 2%

Никель – 4%

Вольфрам  1%

Сера  0,025%

Фосфор  0,025%

При низком содержании углерода и большом количестве легирующего элемента (C , Мo, W, V, Si, Al и т.д.), образуется сталь, относящаяся к ферритному классу. Структура таких сталей при всех температурах состоит из легированного феррита. При высоком содержании в стали никеля и марганца при комнатной температуре можно получить чисто аустенитную структуру. Это класс сталей называют аустенитным. Кроме того, исходя из структуры полученной после охлаждения на воздухе, стали также бывают перлитного, мартенситного и карбидного классов.

На диаграмме Fe – Fe₃C сплавы с содержанием углерода более 2,14% относятся к чугунам. В зависимости от содержания углерода, белые чугуны подразделяются на доэвтектичекие (2,14  С 4,3%), эвтектические (С4,3%) и заэвтектические (4,3 С 6,67%). Белые чугуны обладают высокой твёрдостью и износостойкостью. Углерод в таких сплавах находится в связанном состоянии в виде цемента (Fe₃С). Это достигается за счёт высокой скорости кристаллизации расплава, и последующего ускоренного охлаждения изделий до температуры ниже точки А₁.

При очень маленькой скорости охлаждения, то есть когда степень переохлаждения расплава невелика в сплаве образуется графит. Выделение графита в основном происходит из жидкой фазы и, кроме того, количество его увеличивается за счет распада аустенита.

В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов: серые, ковкие и высокопрочные. Чугуны маркируются следующим образом:

Ковкие – КЧ 30; КЧ 36 и тд.

Серые – СЧ 15; СЧ 40 и тд.

Высокопрочные – ВЧ 50; ВЧ 55 и тд.

Цифры указывают на минимальное значение предела прочности при растяжении.

Формы графита в чугунах:

Серых – пластичная; ковких – хлопьевидная; высокопрочных – шаровидная. Серые чугуны получают за счет медленного охлаждения расплава и изделия в форме, ковкие – путём высокотемпературного длительного отжига, высокопрочные – модифицированием расплава магнием или церием. Чугуны применяют в автостроении, двигателестроении и других отраслях народного хозяйства, как конструкционные материалы.

Литература: 1, 118 – 156; 3, 159 - 222

Вопросы для самопроверки.

1. Что такое перлит, феррит, аустенит, цементит и ледебурит?
   
2. В чём различие метастабильной и стабильной диаграммы Fe –Fe₃C (Fe - C)?
   
3. Как проводится маркировка углеродистых и легированных марок сталей и чугунов?
   
4. Дайте объяснение и укажите способы получения белых и графитовых чугунов?
   
5. Что такое критические точки А₁, А₂, А₃, А₄, и А_м?
   
6. Вычертите диаграмму Fe – Fe₃C, укажите структурное состояние во всех областях диаграммы и опишите превращение протекающие в сплавах при охлаждении при температурах 1499⁰С, 1147⁰С и 727⁰С?
   
7. Разберитесь в построении кривых охлаждения (нагрева) сплавов с различным содержанием углерода.
   

Тема 4. Термическая обработка сталей и чугунов.

Основные превращения в сталях при нагреве и охлаждении. Критические точки в стали. Диаграммы изотермического превращения аустенита. Основные виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Цель и назначение каждого вида термообработки. Закалка стали, её режимы и методы. Закалочные среды, понятие закаливаемости и прокаливаемости стали. Обработка стали холодом. Технология и виды отпуска. Отпускная хрупкость стали. Термомеханическая обработка. Виды брака при термообработке и методы его исправления и предупреждения.

Методические указания.

Термическая обработка – это процесс температурно-временного воздействия на металлы и сплавы с целью придания им необходимых свойств.

При многих видах термической обработки сталь нагревают до температур соответствующих существованию аустенита. Образование аустенита при нагреве является диффузионным процессом. При температуре 727⁰С перлит превращается в аустенит.



При невысоких температурах нагрева зерна аустенита мелкие. В результате повышения температуры зерно аустенита растёт. Однако склонность к росту зерна неодинакова у сталей, поэтому различают стали наследственно мелкозернистые и крупнозернистые. Продолжительный нагрев стали при температурах, значительно превышающих точки Ас₃ или Ас_м приводит к образованию крупного зерна. Такое состояние называют, перегревом стали. Нагрев еще при более высоких температурах в окислительной среде вызывает пережог стали, который сопровождается образованием окислов железа по границам зерен. Пережог – неисправимый дефект стали. Величина зерна влияет на ударную вязкость и порог хладноломкости. Определение размера зерна проводится в соответствии с ГОСТ 5639-65.

Основными видами термической обработки являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг заключается в нагреве стали выше критической точки, выдержке и последующим медленным охлаждением. В результате отжига получают структуру перлит с ферритом или цементитом, и сталь приобретает высокую пластичность и низкую твёрдость. Различают следующие виды отжига: неполный, полный, изотермический, диффузионный и рекристализационный.

Нормализация стали это процесс нагрева выше критической точки Ас₃ (Ас_m) с последующим охлаждением на воздухе. Получаемая структура – мелкопластинчатая перлитного класса (перлит, сорбит, троостит).

Закалкой называют нагрев стали выше точка Ас₃ или Ас₁ и последующее быстрое охлаждение (со скоростью выше критической). При охлаждении сталь приобретает структуру мартенсит и обладает высокой твёрдостью, прочностью и износостойкостью. На рисунке 18 (см. приложение) изображена зона оптимальных температур нагрева сталей под закалку в зависимости от содержания углерода. Закалка не является окончательным видом термической обработки. В зависимости от температуры нагрева закалка бывает полной и неполной. По условию охлаждения закалку подразделяют на непрерывную, прерывистую, ступенчатую и изотермическую. Чтобы уменьшить напряжения, вызванные закалкой, и получить нужные механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

Под отпуском понимают нагрев закалённой на мартенсит стали до температуры ниже точки Ас₁ (727⁰С) с последующим охлаждением. В зависимости от температуры нагрева отпуск подразделяется на низкий (150 – 250^оС), средний (300-450^оС) и высокий (500-700^оС). С увеличением температуры отпуска повышаются пластические свойства и снижается прочность стали.

Для грамотного назначения параметров термической обработки (температура и скорость нагрева, время выдержки и скорость охлаждения) с целью получения требуемых свойств стали необходимо пользоваться диаграммами изотермического и термокинетического распада аустенита.

В результате закалки сталей с содержанием углерода более 0.6 % углерода в структуре наряду с мартенситом сохраняется и остаточный аустенит, наличие которого снижает твердость и прочность изделия. Для превращения остаточного аустенита в мартенсит сталь необходимо переохладить до более низких температур. Эту задачу выполняет процесс обработки стали холодом.

Для упрочнения длинномерных изделий в промышленности применяют термомеханическую обработку, заключающуюся в сочетании горячей пластической деформации и термической обработки.

Отливки из чугуна подвергают отжигу, нормализации, закалке с отпуском в зависимости от требований предъявляемых к ним по структуре и твердости.

Рассмотрим выбор стали для изготовления пружин. Укажем состав и обоснуем режим термической обработки и опишем получаемую структуру и свойства стали.

(Для указанных деталей рекомендуем сталь 70С3А)

Сталь 70С3А. имеет следующий химический состав:

Углерод ~ 0,7% Сера  0,025%

Кремний ~ 3% Фосфор  0.025%

Марганец  0,8% Железо – остальное

Основные свойства рессорнопружинных сталей – придание изделиям высоких усталостных характеристик с целью надежной работы деталей в условиях знакопеременных нагрузок.

Для формирования таких свойств необходимо получить структуру троостит или троосто-мартенсит с твердостью 42-48НRС на деталях после термообработки. Такие свойства достигаются после нижеуказанной термической обработки:

1. Нагрев в защитной атмосфере до температуры 820-860^оС, выдержки до завершения всех фазовых превращений и закалка в масло с рабочей температурой 40-60^оС. После закалки сталь приобретает структуру мартенсит + небольшое количество остаточного аустенита. Твердость  55 НRС.
   
2. Отпуск при температуре 420-460^оС в течении 2-3 часов.
   

После отпуска – структура троостит.

Свойства стали после такой обработки:

1. Твердость 44-46 НRС.
   
2. Предел прочности – более 1800Мпа.
   
3. Предел текучести – более 1600 Мпа.
   
4. Относительное удлинение (сужение) – более 6 (25)%.
   

Наличие кремния в стали, повышает ее прокаливаемость и значительно упрочняет феррит, задерживает распад мартенсита при отпуске и, как следствие, повышает предел текучести и упругость стали. Эти стали склонны к обезуглероживанию, поэтому их нагрев под закалку необходимо вести в защитной или контролируемой по углероду атмосфере.

Литература: 1,стр.156-220; 3 стр. 223-311.

Вопросы для самопроверки.

1. В чем различия между перлитом, сорбитом и трооститом?
   
2. Укажите сущность различных видов отжига и их назначение.
   
3. Рассмотрите диаграммы изотермического и термокинетического превращения сталей. Объясните связь скорости охлаждения с превращениями в стали.
   
4. В чем различие закаливаемости и прокаливаемости стали. Факторы влияющие на эти параметры и методы определения этих характеристик.
   
5. Изучите традиционные закалочные среды и их применение для закалки изделий из различных марок сталей.
   
6. Дайте понятие критической скорости охлаждения и изобразите ее на диаграмме изотермического превращения аустенита.
   
7. Что такое обратимая и необратимая отпускная хрупкость.
   
8. Какие преимущества имеет термомеханическая обработка перед закалкой с низким отпуском и почему?
   

Тема 5. Поверхностные методы упрочнения.

Основные методы поверхностного упрочнения – закалка с нагрева токами высокой частоты (Т.В.Ч.) и химико-термическая обработка (Х.Т.О.). Требования к химическому составу сталей для этих методов упрочнения. Механизм насыщения и формирования структуры в поверхностном слое при цементации, нитроцементации, азотировании и борировании. Примеры марок сталей, подвергаемых различным методам упрочнения. Термическая обработка цементованных и нитроцементованных деталей. Способы дополнительной поверхностной обработки деталей с учетом условий эксплуатации. Поверхностное упрочнение наклепом, лучем лазера и электронным лучом.

Методические указания.

Для получения большой твердости в поверхностном слое детали с сохранением вязкой сердцевины, что обеспечивает износоустойчивость и одновременно высокую динамическую прочность детали, применяют поверхностные методы упрочнения – закалку с нагрева Т.В.Ч. или Х.Т.О. Сущность закалки с нагрева Т.В.Ч. заключается в том, что поверхностные слои детали быстро нагреваются выше критических точек и создается резкий градиент температур по сечению. Если нагрев прервать и провести быстрое охлаждение, то слой металла, нагретый выше критической температуры получит закалку, а не нагретая сердцевина сохранит свое исходное структурное состояние. Для такого способа упрочнения применяют стали с содержанием углерода 0.4% и выше.

Химико-термическая обработка – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя неметаллами (С, N, Si,B и др.) или металлами (Cr, Al и др.) в процессе выдержки при определенной температуре в активной жидкой или газовой среде.

Широко применяются в машиностроении цементация (насыщение поверхности углеродом), нитроцементация (насыщение углеродом и азотом), азотирования (насыщение азотом) и борирование (насыщение бором). Цементации и нитроцементации подвергают, стали с содержанием углерода до 0,3%. Цементацию проводят при температуре 930-950^оС, нитроцементацию – при 840-880^оС. После насыщения изделия закаливают в масло, а затем подвергают отпуску при температуре 180-220^оС. Эти виды Х.Т.О. обеспечивают получение твердости поверхности выше 55 НRС, а сердцевины менее 40НRC.

Для увеличения твердости, износостойкости, предела выносливости и коррозионной стойкости стальных изделий их подвергают азотированию, которое проводится при температуре 500-600^оС в среде диссоциированного аммиака. Для азотирования применяют среднеуглеродистые легированные марки стали, предварительно прошедшие термическое улучшение. Упрочнение проводят на глубину 0,2-0,4 мм и получают поверхностную твердость в пределах 650-1200НV. Преимуществом этого метода является сохранение высокой твердости поверхности при нагреве деталей до 450-470^оС и практически отсутствие деформации и коробления изделий.

Максимальная степень поверхностного упрочнения стальных деталей (НV1700 и выше) может быть получена путем борирования при температуре 910-950^оС. После борирования стойкость деталей возрастает в 5-10 раз.

Для закрепления изученного материала, к примеру, проведен выбор обработки шестерен из стали 20Х. Рассмотрим микроструктуру и свойства поверхности и сердцевины детали после упрочнения. В соответствии с ГОСТ 4343-71 сталь 20Х имеет следующий химический состав:

Углерод – 0,17 – 0,23%;

Хром = 0,7 – 1,0%;

Кремний – 0.17 – 0.37%;

Марганец – 0,5 – 0,8%;

Сера, фосфор  0,035%;

Остальное – железо.

Свойства шестерен с учетом их условий эксплуатации должны быть следующими: для поверхности зуба – высокая твердость и износостойкость; для сердцевины – высокая пластичность.

Учитывая низкое содержание углерода в стали для упрочнения деталей рекомендуется: химико-термическая обработка – цементация или нитроцементация.

Оба вида упрочнения могут быть использованы, и выбор конкретного способа упрочнения зависит от требований предъявляемых к деталям по глубине упрочненного слоя и деформации и короблению деталей.

При глубине упрочненного слоя более 1,0 мм необходимо использовать цементацию, то есть провести насыщение поверхности детали углеродом. Цементация проводится при температуре 930-950^оС, скорость насыщения углеродом 0,1 мм/час. После цементации детали подвергают термической обработке. Далее рассмотрим один из таких способов.

1. Нагрев до 860-880^оС, выдержка и охлаждение. Этот нагрев назначается с целью исправления крупнозернистой структуры сердцевины, полученной при нахождении стали длительное время при температуре цементации;
   
2. Нагрев до 770-780^оС, выдержка и закалка в масло;
   

После закалки получают твердость в пределах 58-62НRС на поверхности, и 30-35НRС в сердцевине.

3. Отпуск при температуре 180-200^оС для снятия напряженного состояния полученного в результате закалки.
   

Свойства шестерен после химико-термической обработки:

1. Твердость поверхности – 58-62НRС;
   
2. Микроструктура поверхности – мартенсит + остаточный аустенит;
   
3. Твердость сердцевины – 30-35НRС;
   
4. Микроструктура сердцевины – малоуглеродистый мартенсит + феррит.
   

Литература: 1, стр. 220-252; 3 стр. 312-340.

Вопросы для самопроверки

1. Какие процессы протекают при химико-термической обработке?
   
2. В чем сущность поверхностей закалки деталей с нагрева ТВЧ. Какие марки стали, подвергают этому способу упрочнения.
   
3. Назовите преимущества и недостатки поверхностной закалки с нагрева ТВЧ в сравнении с Х.Т.О.
   
4. Рассмотрите технологию цементации в твердом карбюризаторе и газовой атмосфере.
   
5. Укажите преимущества нитроцементации деталей перед цементацией.
   
6. Для каких целей используют поверхностную дробеструйную обработку стальных изделий?
   
7. Изучите технологические процессы азотирования и борирования. Какие основные требования предъявляются к предварительной обработке упрочняемых деталей?
   

Тема 6. Конструкционные и инструментальные стали.

Классификация и назначение конструкционных сталей. Углеродистые качественные и обыкновенного качества стали. Легированные конструкционные стали. Цементуемые и улучшаемые стали, их свойства и применение. Рессорно-пружинные и шарико - подшипниковые стали. Стали повышенной обрабатываемости резанием. Стали для зубчатых колес, валов, деталей ходовой части и тормозной системы. Высоколегированные коррозионностойкие, жаропрочные и окалиностойкие стали.

Классификация и маркировка инструментальных сталей. Стали для режущего, штампового, медицинского и измерительного инструмента. Твердые сплавы, их свойства и назначение. Термическая обработка инструмента. Выбор марок сталей для инструмента с учетом условий эксплуатации.

Методические указания.

Конструкционные стали – это сплавы предназначенные для изготовления деталей машин и изделий строительной индустрии. Кроме того, к этой группе относятся и стали со специальными свойствами – износостойкие, коррозионно-стойкие, жаропрочные, пружинные и т.д.

Углеродистые стали обыкновенного качества изготавливают марок Ст.0, Ст.1, Ст.6. в соответствии с ГОСТ 380-71. Такие стали, в основном, применяют в строительстве, так как они обладают хорошей свариваемостью и достаточной прочностью.

Качественные углеродистые (ГОСТ 1050-74) и легированные (ГОСТ 4543-71) стали, применяют в машиностроении и других видах промышленности. Стали этого класса подвергают термической и химико-термической обработке для придания изделиям требуемых физико-механических свойств. Наличие легирующих элементов (до10%) в стали, обеспечивает высокие показатели прочности и пластичности и дает возможность их применения для высоконагруженных деталей машин. Высоколегированные стали (содержание легирующих элементов более 10%) имеют специальное назначение – коррозионно-стойкие, окалиностойкие, немагнитные и т.д.

Для улучшения обрабатываемости резанием в сталь дополнительно вводят серу, селен, свинец и кальций. Содержание серы и свинца до 0,3%, селена и кальция до 0,05% позволяет повысить стойкость режущего инструмента в 2 раза, но их наличие снижают свойства стали. Поэтому применение таких сталей не рекомендуется для деталей работающих в сложно - напряженном состоянии.

Повышение устойчивости стали против коррозии, достигается за счет введения в нее хрома, который образует плотную окисную пленку на поверхности типа Cr₂O₃. К этой группе относятся стали с содержанием хрома более 12%.

Инструментальные стали имеют высокую твердость, износостойкость и прочность. Они используются для режущего инструмента, штампов холодного и горячего деформирования, измерительных инструментов различных размеров и форм. Стали для режущего и штампового инструмента должны обладать теплостойкостью, то есть сохранять высокую твердость и прочность при нагреве до высоких температур. В связи с этим различают нетеплостойкие, полутеплостойкие и теплостойкие стали. Для инструмента подвергаемого нагреву до 200^оС в эксплуатации применяют углеродистые, и низколегированные марки стали – У8, У10, У13, 9ХС, 11Х и т.д.

Полутеплостойкие стали, преимущественно используют для штампов горячего деформирования, рабочая кромка которого нагревается до 400-500^ОС. Это стали легированные хромом, молибденом, вольфрамом и ванадием типа 4Х5МФС, 3Х3ВМФ, 5ХНМ, 5ХНВ и т.д.

При нагреве инструмента в процессе работы до 600-800^оС для его изготовления рекомендуются быстрорежущие стали типа Р9, Р18, Р6М5К5 и др. Главный легирующий элемент таких сталей – вольфрам, который образует стойкий карбид.

Свойства инструментальных сталей достигаются за счет термической обработки закалки и отпуска.

Литература: 1, 252-313; 3, 364-508; 6, 73-135; 6, 143-174.

Вопросы для самопроверки.

1. Можно ли кипящую сталь применять для изделий работающих при температурах ниже –40^оС?
   
2. Чем объяснить хорошую обрабатываемость резанием стали легированной S, Pb,Ca?
   
3. Каким требованиям должна обладать сталь для холодной штамповки?
   
4. Какую термическую обработку проходят стали 40ХН, 40Х, 38ХМЮА, 42ХМФА?
   
5. Какие стали, применяют для работы в окислительных и других агрессивных средах?
   
6. Назовите марки сталей для пружин, рессор и подшипников? Каким видам термической обработки они подвергаются?
   
7. Какие достоинства и недостатки имеют углеродистые стали для режущего инструмента?
   
8. Укажите, стали для штампов холодного и горячего деформирования. Рассмотрите термическую обработку и получаемые свойства этими сталями.
   
9. Какие требования предъявляются к сталям для измерительного инструмента и укажите пути достижения стабильности структуры и свойств при эксплуатации?
   

Тема 7. Цветные металлы и сплавы.

Классификация медных, алюминиевых и магниевых сплавов. Латуни и бронзы, их маркировка, свойства и назначение. Алюминиевые сплавы, их маркировка, термическая обработка, свойства и области применения. Припои и антифрикционные материалы. Припои на оловянистой и свинцовой основе. Выбор сплавов для изделий машиностроения.

Методические указания.

В машиностроении широко используют сплавы на основе меди, алюминия, магния и титана. Основное преимущество медных сплавов - латуней и бронз, - низкий коэффициент трения, высокая пластичность и хорошая стойкость против коррозии в ряде агрессивных сред. Латунь – это сплав меди с цинком. Для придания специальных свойств латуням в их состав вводят дополнительные химические элементы, о чем указывают в маркировке. Пример обозначения латуни ЛС 59-1 ( медь – 59%, свинец –1%, цинк – остальное до 100%).

Бронза – сплав меди с одним или несколькими химическими элементами, среди которых в качестве второго и последующего элемента может быть и цинк.

Пример обозначения бронз:

Бр. АЖН 10-4-4 ( алюминий – 10%, железо – 4%, никель – 4; медь – остальное).

Алюминиевые сплавы – дюралюмины и силумины – обладают малой плотностью при достаточно высоких механических свойствах. Эти сплавы получают методом литья и спеканием и могут подвергаться пластической деформации. Примеры обозначения сплавов: Д16 (дюралюмин), АЛ 9 (силумины).

Магниевые сплавы (например МА2) обладают небольшой плотностью, небольшим модулем упругости и высоким уровнем демпфирования.

Титановые сплавы имеют высокую коррозионную стойкость, высокую прочность при низких температурах и хорошую жаропрочность.

Пример: Для изготовления некоторых деталей самолёта используется сплав AMr. Приведите характеристики механических свойств сплава и его состав.

Сплав Al с Mg относятся к сплавам не упрочняемых термической обработкой. Упрочнение такого сплава происходит за счёт образования  - твёрдого раствора (раствор Mg в Al).

Из приведенного рисунка 19 (см. приложение) видно, что сплавы Al с Mg обладают наивысшими прочностными и пластическими свойствами при содержании в них магния до  15%. Поэтому в промышленности применяют сплавы с небольшим содержанием магния – типа AMг 2, AMг 3, AMг 5, AMг 6.

Химический состав и механические свойства сплавов приведены в таблице 3


Таблица 3

Сплав	Содержание элементов, %		Механические свойства
	Mn	Mg	B, MПa	0,2MПa	,%
AMг 2	0,2-0,6	1,8-2,8	200(250)	100(200)	23(10)
AMг 3	0,3-0,6	3,2-3,8	220	110	23
AMг 5	0,3-0,6	4,8-5,8	300	150	20
AMг 6	0,5-0,8	5,8-6,8	340(400)	170(300)	18(10)

Указанные сплавы применяются в отожженном состоянии. Отжиг проводится при температуре 270-280⁰С (AMг 3) и 350 – 410⁰С (AMг 2).

Повысить прочность этих сплавов можно за счёт нагартовки (наклёпа). В таблице 3 показаны свойства сплавов после того упрочнения.

Сплавы Al c Mg хорошо обрабатываются резанием, хорошо свариваются и обладают высокой коррозийностью.

Литература: 1,378-432; 564-628; 6, 395-582.

Вопросы для самопроверки.

1. Расшифруйте цветные металлы и сплавы: М1; ЛО 60-2; Бр. Б2; Бр. АЖ 9-4; А99; АЛ21; Д16; МА 2-1; МЛ15; ОТ 4-1; ВТ22.
   
2. Для каких целей используют оловянные, алюминиевые и бериллиевые бронзы?
   
3. Укажите преимущества и недостатки титановых сплавов в сравнении с медными сплавами.
   
4. За счет чего увеличивается прочность магниевых сплавов?
   
5. Изучите способы термической обработки алюминиевых сплавов и уясните их причину упрочнения.
   
6. Приведите примеры применения цветных сплавов в машиностроении.
   

Тема 8. Неметаллические материалы.

Классификация полимерных материалов. Пластмассы и эластичные материалы. Термопласты и пластики с твердым наполнителем. Органические стекла. Техническая керамика. Технология производства пластмассы и резины. Композиционные материалы. Области применения и преимущества применения таких материалов.

Методические указания.

Неметаллические материалы являются в ряде случаев заменителями металлических материалов, но и применяются, как и самостоятельные. Их применение обеспечивает значительную экономию при достаточно высокой механической прочности, легкости, термической и химической стойкости и технологичности. Наибольшее применение имеют пластмассы, композиты, резина, стекло, ситаллы и керамика. В зависимости от рабочей температуры пластмассы подразделяются на термопластичные и термореактивные.

Композиционные материалы – это искусственные материалы, получаемые сочетанием химически разнородных компонентов. Это перспективные материалы для различных отраслей машиностроения. Основное применение нашли карбоволокниты, бороволокниты, органоволокниты и материалы с металлической матрицей.