Методические рекомендации и контрольные задания для учащихся заочной формы обучения для специальности 2 36 07 01 «Машины и аппараты химических производств и предприятий строительных материалов»

Вид материала

Содержание

Подобный материал:

1 2 3 4

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«НОВОПОЛОЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ»

УТВЕРЖДАЮ

Директор НГПТ

______________ А.П.Ляхович

«____»______________ 2009 г.

Материаловедение и технология

материалов

методические рекомендации и контрольные задания для учащихся заочной формы обучения

для специальности 2 – 36 07 01

«Машины и аппараты химических производств и предприятий строительных материалов»

Новополоцк

2009

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Программой дисциплины «Материаловедение и технология материалов» предусматривается изучение, и усвоение учащимися способов производства стали и чугуна; основ металловедения и термической обработки; промышленного использования основных конструкционных и инструментальных материалов; основных строительных материалов и их производства.

Изучение дисциплины «Материаловедение и технология материалов» основывается на знаниях полученных учащимися по дисциплинам «Физика», «Химия», «Инженерная графика», «Стандартизация и качество продукции».

В результате изучения дисциплины учащиеся должны знать на уровне представления:

достижения науки в области производства конструкторских и инструментальных материалов;
область рационального использования различных материалов с учетом
экономических требований;
роль материалов в решении технических проблем, в снижении массы
машин, в повышении точности, надежности и работоспособности механизмов и
приборов;

- виды конструкционных и инструментальных материалов;

должны знать на уровне понимания:

состав, структуру, свойства и применение конструкционных и инструментальных материалов;
методы испытания металлов;
способы получения конструкционных и инструментальных материалов;
процессы, происходящие при кристаллизации и охлаждении железоуглеродистых сплавов;
сущность и назначение термической и химико-термической обработки
сталей;
классификацию, маркировку и область применения металлов и сплавов;
методы защиты металлов от коррозии;
область применения и способы получения строительных материалов и
изделий;

должны уметь:

определять основные характеристики материалов;
по диаграмме состояния сплава строить кривые охлаждения;
выбирать марку материала для различных деталей, в зависимости от
условий их работы;
расшифровать марки материалов, определять их состав;
назначать вид режим термообработки для конкретных деталей;
приводить схемы получения изделий из строительных материалов.

Тематический план

Раздел	Количество учебных часов					Время на самостоятельную работу учащегося
	В том числе
	Для дневной формы	Для заочной формы	На установочные занятия	На обзорные занятия	На лабораторно-практические занятия
Введение.	2	1		1		1
Раздел 1. Производство черных металлов.	8	2	1	1		6
Раздел 2. Основы металловедения.	76	21	1	12	8	55
Раздел 3. Прогрессивные материалы в машиностроении.	6	2	1	1		4
Раздел 4 . Неметаллические материалы.	6	2		2		4
Раздел 5. Строительные материалы.	38	10	1	7	2	28
Итого	136	38	4	24	10	98

Содержание программы и

Методические указания по изучению разделов и тем программы

Введение

Задачи предмета и его связь с другими предметами. Черные и цветные металлы, их роль в народном хозяйстве. Неметаллические материалы и применение. Краткая историческая справка. Вклад отечественных ученых в развитие «Материаловедения».

Методические указания

Изучение дисциплины начните с определения понятия «Материаловедение». Уясните, что изучение взаимосвязи состава, строения и свойств материалов позволяет определить области рационального использования различных материалов, создавать сплавы с заранее рассчитанными свойствами, получать сверхчистые металлы, создавать новые искусственно созданные материалы. Особое внимание обратите на перспективы развития металлургической промышленности, на внедрение новых прогрессивных материалов. Ознакомьтесь с историей развития материаловедения и запомните фамилии выдающихся ученых, внесших вклад в развитие этой науки.

Вопросы для самопроверки

1. Каково значение материаловедения как науки?

2. Значение материалов для современной промышленности.

3. Чем вызвано широкое применение в промышленности искусственных материалов.

4. Назовите основные этапы развития «материаловедения» как науки.

5. Назовите выдающихся ученых внесших вклад в развитие «материаловедения».

Раздел 1. Производство черных металлов.

Тема 1.1. Производство чугуна.

Исходные материалы для получения чугуна. Железные руды. Подготовка руд к плавке. Топливо и флюсы в доменном производстве. Огнеупоры, понятие о шиите. Схема доменной печи, ее устройство и работа. Основные процессы, протекающие в доменной печи.

Продукты доменного производства. Основные технико-экономические показатели доменной печи.

Требования безопасности труда в доменном производстве и меры по охране окружающей среды.

Методические указания

Изучение производства чугуна начните с исходных материалов. Разберите требования, которые к ним предъявляются. Нужно знать, какие выгоды дает обогащение руд и подготовка исходных материалов к плавке. Разберитесь в схеме доменной печи и в сущности получения чугуна. Запомните, что доменный процесс — это процесс восстановительный. В доменной печи происходит восстановление железа из руды, а затем его науглероживание. Выпишите основные химические реакции получения чугуна и основные технико-экономические показатели работы доменной печи После изучения доменных процессов переходите к изучению продукции доменного производства — чугунов, шлака и газа. Особое внимание уделите чугунам как основному продукту. Выпишите в конспект, в каком количестве находится углерод и основные примеси в чугунах, и влияние основных примесей на свойства чугунов. Применение шлака и газа в промышленности.

Изучив тему, нужно уметь: 1) объяснять необходимость подготовки руды к плавке и интенсификации доменного процесса

Вопросы для самопроверки

1. Какие требования предъявляются к исходным материалам для производства чугуна в доменной печи?

2. Укажите роль флюса и шлака в доменной печи.

3. Напишите основные химические реакции, протекающие в доменной печи.

4. Укажите основные технико-экономические показатели работы доменной печи. Где применяются шлаки и доменный газ?

Тема 1.2. Производство стали

Суть предела чугуна в сталь. Производство стали в конвертерах. Мартеновский способ получения стали. Сравнение кислородно-конвертерного способа с мартеновским. Выплавка стали в электропечах. Сравнение качества стали, полученной в различных плавильных агрегатах.

Способы разливки стали. Достоинства непрерывной разливки. Стальной слиток. Прогрессивные методы получения стали: вакуумный, электрошлаковый, обработка жидкой стали. Охрана труда в металлургии.

Методические указания

В настоящее время сталь получают преимущественно путем передела чугуна. Основные способы получения стали: конвертерный, мартеновский, электроплавка. Процесс получения стали — это окислительный процесс. При любом способе получения стали происходит окисление примесей, содержащихся в чугуне. Окислителем является оксид железа (FeO), который растворяется в металле и в шлаке.

Изучая конвертерный способ получения стали, обратите внимание на конструктивные особенности конвертера при воздушном и кислородном дутье (воздух подается снизу, а кислород — через трубку сверху). При кислородном дутье почти все недостатки конвертерного способа практически устраняются. В кислородном конвертере можно получать качественные углеродистые и низколегированные стали.

В мартеновской печи высокая температура получается за счет сгорания топлива, теплота химических реакций имеет второстепенное значение. Выпишите основные реакции, протекающие в мартеновской печи, уясните процессы раскисления и удаления фосфора и серы в основной печи. Нужно знать способы интенсификации мартеновского процесса.

Процесс плавки высококачественной стали в электрических печах приобретает все большее значение в связи с тем, что постоянно расширяется ассортимент, увеличивается выпуск новых, наиболее экономичных и прогрессивных видов конструкционных материалов для машиностроения, приборостроения, строительства и других областей промышленности.

Плавку в электрических печах можно производить как в воздушной среде, так и в вакууме. В вакуумных печах переплавляют стальные заготовки, выплавленные в конвертерах и мартеновских печах Заготовка (расходуемый электрод) является катодом, а слиток очищенною металла — анодом.

При вакуумной плавке и вакуумных переплавах жидкий металл наиболее полно очищается от газов. Этим способом получают жаропрочные стали и сплавы, стали с особыми физико-химическими свойствами. Недостаток вакуумной плавки — сложность оборудования и высокая стоимость выплавляемого металла. Значительно более дешевый способ повышения качества стали — электрошлаковый переплав, который можно производить в воздушной среде. Этим способом получают шарикоподшипниковые, инструментальные и другие стали.

Повысить качество стали можно также путем ее обработки в ковшах. Производится вакуумная обработка в ковшах или обработка стали в ковшах синтетическими шлаками, которые специально готовят в других печах. Если при вакуумной плавке и вакуумных переплавах сера практически не удаляется, при рафинировании синтетическими шлаками и электрошлаковом переплаве сера удаляется наиболее полно.

Выпишите в конспект влияние способа получения стали на ее качество. Разберите, как влияет способ разливки на качество стали. Нужно знать разницу между кипящей и спокойной сталью и область применения кипящей стали. Наибольшее внимание уделите непрерывной разливке стали как наиболее прогрессивному способу, выпишите достоинства этого способа. Запомните, что способ непрерывной разливки широко применяется и в цветной металлургии.

Разберите строение стального слитка, возможные дефекты в нем и способ их предупреждения.

После изучения этой темы нужно уметь: 1) определять наиболее целесообразный способ получения стали в зависимости от состава стали и ее назначение; 2) объяснять влияние способа разливки на свойства стали и строение стального слитка; 3) объяснять влияние способа выплавки стали на ее качество; 4) объяснять, почему наиболее широкое развитие должны получать способы выплавки стали в кислородных конвертерах и в электрических печах.

Вопросы для самопроверки:

1. В чем отличие кислородного конвертера от конвертера, работающего на воздушном дутье? 3.Каково назначение регенераторов в мартеновской печи? 4.Каковы способы интенсификации мартеновского процесса? 5.Укажите свойства мартеновской кислой и основной стали и область их применения. 6.По схемам, имеющимся в учебниках, объясните устройство и работу дуговых электрических печей. 7.Сравните качество стали, получаемой в различных плавильных агрегатax. 8.Укажите технико-экономические показатели плавильных агрегатов. 9.В чем сущность обработки стали в ковшах? 10.В чем достоинства обработки стали синтетическими шлаками? 11.Какое имеет значение применение специальных способов получения стали? 12. Какие факторы определяет качество стали? 13.В чем сущность способа непрерывной разливки стали?

Раздел 2. Основы металловедения

Тема 2.1. Строение и кристаллизация металлов

Аморфные и кристаллические тела. Кристаллическое строение металлов. Элементарная кристаллическая решетка. Реальное строение металлов, кристаллизация металлов, кривые охлаждения. Анизотропия. Полиморфизм.

Методы исследования структуры металлов: макроскопический, микроскопический, рентгеноструктурный шал из. Методы неразрушающего контроля качества.

В настоящее время большинство деталей машин, приборов и аппаратов изготовляют из металлов, поэтому изучение этого раздела нужно начать с атомно-кристаллического строения металлов. Уясните, какие кристаллические решетки наиболее часто встречаются среди металлов, сущность аллотропических превращений в металлах. Затем разберите дефекты кристаллического строения и процесс кристаллизации. Внешне металл никогда не имеет правильного кристаллического строения, так как процесс кристаллизации протекает путем зарождения центров кристаллизации и последующего их роста. Поэтому реальные металлы являются квазиизотропными веществами.

Выпишите в конспект и запомните, что свойства реальных металлов отличаются от идеальных, так как: 1) все реальные металлы являются поликристаллами;2)в кристаллическом строении имеется ряд дефектов (несовершенств). Разберите, какие виды несовершенств бывают в кристаллическом строении, а также на каких свойствах и как это отражается.

Уясните сущность и цель термического анализа, который используется при построении диаграмм состояния и изучении сплавов, так как дает возможность, определить критические точки, т.е. температуры, при которых в сплавах происходят какие-либо превращения. Выпишите в конспект, что называется критической точкой, вычертите кривую охлаждения чистого железа, укажите на ней критические точки и запишите, какое превращение происходит в каждой критической точке.

Вопросы для самопроверки:

1. Какие кристаллические решетки наиболее часто встречаются среди металлов? 2.Какие имеются дефекты в атомно-кристаллическом строении металлов? 3.Почему свойства реальных металлов отличаются от идеальных? 4.Какая разница между кристаллом и кристаллитом? 5. Какова цель термического анализа? 6.Какое значение имеет определение критических точек? 7.Укажите температуры аллотропических превращений железа. 8.Объясните схему рентгеновского просвечивания металлов. 9.В чем сущность определения дефектов в металлах магнитным способом?

2.2. Свойства металлов и сплавов

Физические (цвет, плотность, температура плавления, магнитные свойства) и химические (окисляемость, кислостойкость и др.) свойства металлов, широко применяемых в технике.

Механические свойства металлов и методы их определения: статические испытания на растяжение (характеристики прочности, упругости и пластичности); определение твердости металлов по Бринеллю, Роквеллу и Викерсу. Ударная вязкость и методы ее определения.

Технологические свойства: обрабатываемость резанием, свариваемость, прокаливаемость и литейные свойства.

Методические указания

При изучении каждого метода в конспект записывайте его достоинства, недостатки и область применения.

Нужно совершенно точно знать обозначения и единицы СИ, в которых выражаются различные физические величины.

При изучении испытания на растяжение вычертите в конспекте диаграммы растяжения для пластичных и хрупких материалов и укажите характерные точки на них. Нужно знать, какие характеристики прочности и пластичности определяются при испытании на растяжение. Выпишите в конспект все формулировки (пределов упругости, пропорциональности, условного и физического пределов текучести, предела прочности). Не путайте предел текучести и площадку текучести. Предел текучести — характеристика прочности материала, а площадка текучести — характеристика пластичности.

Способы определения твердости находят очень широкое применение, так как требуют специальных образцов, просты в выполнении и производительны. Выпишите в конспект область применения каждого способа, его достоинства и недостатки. Зная числа твердости по Бринеллю, можно приблизительно судить и о прочности материала. У мягких материалов чем больше твердость, тем больше и прочность. Однако нужно обязательно иметь в виду, что прочность и твердость — это не одно и то же.

Определение ударной вязкости особенно важно для материалов, которые идут на изготовление деталей, работающих с ударными нагрузками. Выпишите в конспект факторы, которые влияют на ударную вязкость, практически не влияя на другие свойства (величину зерна, количество фосфора в стали и др.).

Изучая испытания на усталость, вычертите кривую усталости и запишите, что называется пределом выносливости. Нужно знать, что разрушение при переменных нагрузках может произойти при напряжении меньше не только предела прочности, но и предела текучести. Выпишите факторы, влияющие на предел выносливости, так как, зная эти факторы, можно повысить предел выносливости, а значит увеличить срок службы деталей.

Вопросы для самоконтроля

1.Какие характеристики прочности определяются при испытании на растяжение? З.То же, пластичности? 4.Как обозначается твердость по Бринеллю? Какова область применения этого способа? 5.В чем достоинства и недостатки способа Роквелла? 6.Какова область применения способа Виккерса? 7.Как обозначается вязкость материала? Единицы вязкости. 8.Как обозначается предел выносливости? Какое практическое значение имеет его увеличение?

2.3. Основные сведения о металлических сплавах.

Диаграммы состояния двойных сплавов

Понятие о сплаве, компоненте, фазе, системе. Диаграммы фазового равновесия. Кривые охлаждения. Типы диаграммы состояния сплавов для случаев образования механической смеси, неограниченных и ограниченных твердых растворов компонентов и химического соединения компонентов, связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния.

Методические указания

Перед тем как приступить к изучению диаграмм состояния, повторите термический анализ, построение кривых нагрева и охлаждения на основе опытных данных. Критические точки, т.е. температуры, при которых происходят превращения в каждом сплаве, соединяют и получают критические линии, каждая точка которых показывает, при какой температуре происходит данное превращение в сплавах разной концентрации. Выпишите в конспект, что называется компонентом, фазой, системой, сплавом, а также что может быть фазой. Запомните, что сплав — это сложное тело.

Диаграммы состояния показывают состояние сплава данных компонентов при любой концентрации и при любой температуре. Запомните, что диаграммы строят при медленном охлаждении, поэтому структуры на диаграмме соответствуют равновесному состоянию. Разберите критические точки сплавов как температуры фазовых превращений и структуры, получающиеся после каждого превращения. В конспекте укажите структуры в каждой области диаграммы и запишите, что они собой представляют.

Изучая диаграмму состояния сплава, компоненты которого в твердом состоянии не растворяются друг в друге (свинец—сурьма, олово—цинк), прежде всего, четко уясните, что собой представляет эвтектика. Она образуется в результате того, что компоненты друг в друге не растворяются, и представляет собой очень тонкую механическую смесь двух фаз. Так как обе фазы кристаллизуются одновременно при одной и той же температуре, то отдельные кристаллы обеих фаз не успевают вырасти до значительных размеров и образуют настолько мелкую механическую смесь, что их практически разделить нельзя. Поэтому эвтектика обладает специфическими, только ей присущими свойствами, которые резко отличаются от свойств входящих в нее компонентов. Обратите внимание на то, что температура окончательного затвердевания сплавов, образующих эвтектику, от состава сплава не зависит и на диаграмме образование эвтектики характеризуется горизонтальной линией. Из правила отрезков (правила рычага) видно, что состав жидкого сплава при температуре окончательного затвердевания всегда одинаковый, значит, и состав эвтектики во всех сплавах один и тот же, количество же эвтектики в разных сплавах разное и также определяется по правилу отрезков. Запомните, какие сплавы называются эвтектическими, до- и заэвтектическими. Заканчивая изучение диаграммы, разберите ликвацию по плотности, в каких случаях она может возникнуть и меры ее предупреждения.

При изучении диаграмм состояния сплавов, обладающих неограниченной растворимостью как в жидком, так и в твердом состоянии, уясните и запишите, какие вещества называются твердым раствором и какие виды твердых растворов могут быть в сплавах. Запомните, что твердые растворы — это сложные, но однородные вещества, поэтому под микроскопом твердые растворы, подобно чистому металлу, представляют собой однородные кристаллические зерна. Обратите внимание на то, что в сплавах, образующих твердые растворы, в отличие от сплавов с эвтектикой температура и начала и конца затвердевания зависит от состава сплава и все сплавы затвердевают в интервале температур. Так как вещества обладают неограниченной растворимостью, то ни в одном сплаве не будет кристаллов свободных компонентов. А все сплавы данной системы однофазны и представляют собой твердый раствор. Разберите явление внутрикристаллической (дендритной ликвации), меры ее предупреждения и устранения.

Подавляющее большинство сплавов обладают ограниченной растворимостью в твердом состоянии, причем предел растворения уменьшается с уменьшением температуры (сплавы свинец—олово, медь—серебро, алюминий—медь).

В этих случаях эвтектика появляется только в тех сплавах, в которых концентрация растворимого компонента меньше предела растворимости. Разбирая эту диаграмму, особое внимание обратите на процессы, протекающие в твердом состоянии. В сплавах, у которых концентрация растворимого компонента меньше предела растворимости, после окончательного затвердевания структура представляет собой однородный твердый раствор. Уже в твердом состоянии в связи с уменьшением предела растворимости при понижении температуры из твердого раствора начинает выделяться вторая фаза. Например, в сплавах свинец—олово, содержащих менее 19,5% олова, в сплавах медь—серебро, содержащих менее 7% серебра, и в сплавах алюминий—медь, содержащих менее 5,67% меди, при охлаждении ниже кривой растворимости начинает образовываться вторая фаза и при комнатной температуре сплавы получаются двухфазными. Запомните, что процессы кристаллизации из твердого состояния происходят по тем же законам, что и из жидкого, т.е. путем зарождения центров кристаллизации и последующего их роста, поэтому для образования второй фазы охлаждение должно быть медленным. Следует иметь в виду, что продукты вторичной кристаллизации всегда мельче, чем первичной. Запишите, что у сплавов, у которых есть превращения в твердом состоянии, можно менять структуру, а значит, и свойства путем нагрева и охлаждения с различной скоростью, т.е. путем термической обработки.

Изучая систему сплавов, образующих устойчивое химическое соединение (магний—кальций, цинк—магний), запомните, что диаграммы состояния можно рассматривать как состоящие из двух самостоятельных диаграмм, у которых вторым компонентом является химическое соединение. Диаграмму можно рассматривать в общем виде.

Физические, механические и технологические свойства сплава зависят от его структуры. Поэтому нужно обязательно разобрать зависимость между диаграммой состояния сплава и его свойствами, установленную Н.С.Курнаковым и А.А.Бочваром (диаграммы состав—свойства).

После изучения этой темы нужно уметь:1) строить кривые охлаждения сплавов разной концентрации; 2) описывать превращения в различных сплавах при охлаждении или нагреве; 3) объяснять причины превращений в твердом состоянии в сплавах с ограниченной растворимостью; 4) объяснять, какое значение имеет зависимость между диаграммами состояния и их свойствами; 5) указывать способ получения изделий из сплавов с эвтектикой и с твердым раствором.

Вопросы для самопроверки

1.Какое значение имеют диаграммы состояния? 2.Чем характерен эвтектический сплав? Какой сплав называется эвтектическим, до- и заэвтектическим? 3.Пользуясь правилом отрезков, определите, сколько сурьмы (или цинка) и эвтектики будет в сплаве Sb—Zn, содержащем 20% сурьмы (или цинка). 4.Нарисуйте схемы расположения атомов обоих компонентов в твердых растворах замещения и внедрения. 5.Начертите кривую охлаждения сплава, содержащего 30% меди и 70% никеля. 6.Объясните значение всех критических точек и линий на диаграмме состояния сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии. 7.Что называется ликвацией? 8.Почему в качестве конструкционных материалов наибольшее применение нашли сплавы, у которых есть фазовые превращения в твердом состоянии? 9.Какое практическое значение имеет зависимость между структурой сплава и его свойствами?

2.4.Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

Железо и его соединения с углеродом. Упрощенная диаграмма «железо-цементит», характерные линии, основные структуры ее областей. Превращения из жидкого состояния в твердое. Превращения в твердом состоянии. Классификация железоуглеродистых сплавов. Формирование структуры сталей и чугунов. Влияние скорости охлаждения на структуру чугуна. Диаграмма состояния «железо-графит» структуры чугунов.

Методические указания

Превращения в структуре сталей чугунов при нагревании и охлаждении. Построение кривых нагревания и охлаждения.

Начинать изучение диаграммы железо—цементит можно только после того, как разобраны простые (двойные) диаграммы состояния. Повторите аллотропические превращения железа. Эта диаграмма должна быть хорошо усвоена, так как иначе невозможно понять сущность и различные виды термической обработки. Разберите все превращения, протекающие в железоуглеродистых сплавах при медленном охлаждении, и получающиеся при этом структуры, особенно превращения в твердом состоянии. В конспекте прежде всего вычертите диаграмму состояния железо—цементит, укажите структуры во всех областях, разберите и запишите, чем характерны все критические точки и линии диаграммы, их температуры и содержание углерода. Запомните, что в результате вторичной кристаллизации по линии GS при охлаждении начинается превращение аустенита в феррит вследствие аллотропического превращения γ-железа в α-железо. Так как в феррите максимально растворяется 0,04% углерода (точка Р), то в аустените количество углерода все время увеличивается. Каждая точка линии GS показывает содержание углерода в аустените при данной температуре. Критические точки, образующие линию GS, принято обозначать при нагреве Ас₃, а при охлаждении—Аr₃. По линии ES при охлаждении из аустенита начинает выделяться вторичный цементит вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените при понижении температуры. Цементит содержит 6,67% углерода, поэтому в остающемся аустените количество углерода уменьшается. Каждая точка линии ES показывает содержание углерода в аустените при данной температуре (правило отрезков). Критические точки, образующие линию ES, принято обозначать Аст. По линии PSK происходит окончательный распад аустенита на перлит во всех сплавах системы. Из аустенита образуется мелкая механическая смесь — эвтектоид, так как в равновесном состоянии γ-железо при температуре ниже 727°С существовать не может, а γ-железо практически углерод не растворяет (точка Р). При температуре 727°С во всех сплавах содержится в аустените 0,83% С (точка S, куда сходятся линии GS и ES), значит состав перлита также постоянен и содержит 0,83% углерода. Критические точки, образующие линию PSK, при нагреве обозначают Ас₁, а при охлаждении Аr₁.

Отметьте в конспекте, что температура, при которой из аустенита начинает выделяться феррит или цементит (линии GS и ES), зависит от состава сплава, а превращение аустенита в перлит происходит во всех сплавах при одной и той же температуре (727°С).

Нужно знать, что в простых углеродистых сплавах в равновесном состоянии при температуре ниже 727°С аустенит существовать не может, он распадается на перлит (эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного). Запомните равновесные структуры - железоуглеродистых сплавов: аустенит, феррит, перлит, цементит, ледебурит. Запишите в конспекте, что они собой представляют. Запомните разницу между эвтектикой и эвтектоидом: и то и другое — мелкая механическая смесь, но эвтектика — продукт первичной кристаллизации, она получается при одновременной кристаллизации двух или нескольких фаз из жидкого раствора, а эвтектоид — продукт вторичной кристаллизации, он образуется при распаде твердого раствора. И эвтектика, и эвтектоид образуются в том случае, если вещества друг в друге не растворяются в твердом состоянии. Хорошо разберитесь в процессах, протекающих при нагревании и охлаждении сплавов с различной концентрацией углерода. Особое внимание обратите на критические точки, в которых происходит вторичная кристаллизация, и на получающиеся структуры.

Изучая часть диаграммы с образованием чугуна, запомните, что ледебурит является характерным признаком белых чугунов. Повторите из темы 1.1, какие чугуны называются белыми, а какие — серыми. Содержание углерода может быть одинаковым и у белых и у серых чугунов; отличаются они состоянием углерода. В серых чугунах углерод имеет форму пластинок. Металлическая основа может быть перлитной или ферритной.

Отвечая на вопросы контрольной работы по диаграмме железо—углерод, вычертите полностью диаграмму и укажите структуры во всех областях. Проведите вертикаль, отвечающую заданному сплаву. Рядом с диаграммой вычертите кривую охлаждения данного сплава, укажите на ней температуры, соответствующие каждой критической точке. Опишите структурные превращения в каждой критической точке. Описывать нужно только те превращения, которые происходят в заданном сплаве.

Например, вопрос: вычертите диаграмму железо—цементит и укажите превращения в стали, содержащей 1% углерода, при медленном охлаждении от 1600 до 20°С. Ответ: при охлаждении сплава до температуры t= 1450°C (рис.1) идет охлаждение жидкого раствора. Начиная с точки t₁ из жидкого раствора выделяются кристаллы аустенита. Аустенит — это твердый раствор углерода в γ-железе. В интервале температур между точками t₁ и t₂=1340°С количество кристаллов аустенита увеличивается, а количество жидкой фазы уменьшается. В точке h происходит окончательное затвердевание аустенита. В интервале температур между точками t₂ и t₃ никаких превращений не происходит, идет охлаждение аустенита. В точке t₃ = 800°С начинается вторичная кристаллизация: из аустенита начинает выделяться вторичный цементит, так как растворимость углерода в железе с уменьшением температуры уменьшается. Цементит — это химическое соединение железа с углеродом—карбид железа (FeeC). В интервале температур между точками t₃ и t₄ количество цементита увеличивается. Поскольку цементит содержит 6,67% углерода, в остающемся аустените количество углерода уменьшается в соответствии с точками линии ES. В точке t₄= 727°С оставшийся аустенит, содержащий 0,83% углерода (точка S), окончательно распадается на перлит. Перлит — это эвтектоид—мелкая механическая смесь феррита и цементита вторичного. Окончательная структура сплава — перлит и цементит вторичный.

После изучения темы нужно у меть: 1) описывать превращения, протекающие в железоуглеродистых сплавах разной концентрации при их медленном охлаждении или нагревании; 2) объяснять причины вторичной кристаллизации в железоуглеродистых сплавах; 3) указывать превращения во всех критических точках диаграммы; 4) исходя из структуры до- и заэвтектоидной стали, указывать разницу в их свойствах; 5) исходя из структуры белых и серых чугунов указывать их свойства и область применения.

Вопросы для самопроверки

1. Какие превращения происходят в сплавах железо—цементит по линиям GS и FS? 2. При какой температуре происходит образование перлита? 3. Пользуясь диаграммой железо—цементит, постройте кривую охлаждения сплава, содержащего 0,5% углерода, при медленном охлаждении из расплавленного состояния до комнатной температуры. 4. Укажите, что из себя представляют все структуры в железоуглеродистых сплавах. 5. Сколько углерода растворяется в аустените при 1147°С и при 727°С? 6. Назовите линии первичной кристаллизации на диаграмме железо—цементит. 7. Назовите структуры до- и заэвтектических белых чугунов. 8.В чем сущность вторичной кристаллизации белых чугунов? 9. Какое применение имеют белые и серые чугуны? 10. Какое практическое значение имеет диаграмма железо—цементит?

2.5. Основы теории термообработки

Превращения стали при нагреве превращение перлита в аустенит. Рост зерна аустенита изотермическое превращение мартенситное превращение. Промежуточное превращение. Отпуск стали.

Методические указания

Изучение темы начните с процессов; протекающих при охлаждении аустенита с различной скоростью. Разберите диаграмму распада аустенита при непрерывном охлаждении и изотермического распада аустенита (С-образные кривые), а также структуры, получающиеся при разной скорости распада аустенита. Запишите, что перлит, сорбит и троостит — это двухфазные структуры, представляющие собой ферритно-цементитную смесь различной степени дисперсности (размельченности); они имеют пластинчатое строение.

При большой скорости охлаждения диффузия углерода не успевает произойти, происходит только аллотропическое превращение железа, поэтому из аустенита получается однофазная структура — мартенсит, который представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в γ железе, он имеет игольчатое строение. Запомните, что чем больше скорость охлаждения аустенита, тем тверже получающиеся структуры. Нужно знать, какая температура называется мартенситной точкой. В углеродистых сталях начало мартенситного превращения происходит около 200°С. Отметьте в конспекте отличие мартенситного превращения от перлитного. Запомните, что в отличие от перлитного мартенситное превращение никогда не идет до конца, поэтому в стали всегда остается определенное количество остаточного аустенита; на мартенситную точку скорость охлаждения не влияет, она практически зависит только от состава стали. Нарисуйте в конспекте диаграмму изотермического распада аустенита, отметьте на ней критическую скорость закалки и мартенситную точку и запишите, какая скорость охлаждения является критической скоростью закалки. Запишите также названия и механические свойства всех структур, получающихся при распаде аустенита. Нужно знать значение работ Д.К.Чернова, С.С.Штейнберга и других советских ученых в области теории термической обработки.

Только после усвоения влияния скорости охлаждения на получающиеся структуры и свойства стали переходите к изучению различных видов термической обработки. При этом повторите из темы 2.4 обозначение линий вторичной кристаллизации на диаграмме железо—углерод: линия PSK—точка А₁, линия GS— точка А₃, линия ES—точка Аст.

Любая термическая обработка состоит из нагрева до заданной температуры, выдержки и охлаждения с заданной скоростью, поэтому термическую обработку обычно выражают графически в координатах температура—время. В зависимости от температуры нагрева и скорости охлаждения различают следующие основные виды термической обработки: отжиг, нормализацию, закалку и отпуск. Нужно знать цель и сущность каждого вида термической обработки, его технологию, а главное — какую структуру и свойства приобретает сталь в результате проведения каждого вида термической обработки. Это обязательно нужно отмечать в конспекте. Нужно иметь в виду, что иногда брак, полученный при термической обработке, может проявиться только при работе деталей.

Современная техника предъявляет все возрастающие требования к механическим свойствам металлов, которые в значительной степени можно улучшить путем термической и химико-термической обработки. Увеличение прочности деталей во многих случаях разрешает уменьшить их габариты и массу, что дает огромную экономию металла.

Вопросы для самопроверки

1. Каково назначение термической и химико-термической обработки. 2. Какие получаются продукты распада аустенита в зависимости от скорости его охлаждения? 3.Какая скорость охлаждения называется критической скоростью закалки? 4.Какие факторы влияют на мартенситную точку? 5.Почему в результате термической обработки могут быть уменьшены размеры и масса деталей машин и механизмов?

2.6. Технология термообработки стали.

Классификация видов термической обработки (ТО). Отжиг первого радо. Отжиг второго рода. Закалка стали: температура нагрева, закалочная среда, закаливаемость и прокаливаемость. Критическая скорость закалки. Способы закалки.

Отпуск стали: сущность, назначение, виды и технология проведения. Влияние отпуска на структуру и свойства стали.

Дефекты, возникающие при термической обработке стали, причины их возникновения.

Методические указания

Изучая процесс отжига, разберите, в каких случаях какой метод отжига наиболее целесообразно применять, каким сталям дают полный отжиг, а каким— неполный. Легированные стали и крупные поковки требуют очень медленного охлаждения, поэтому применение для них изотермического отжига значительно увеличивает производительность.

Цель отжига — получение максимальной вязкости и пластичности, а так как у разных сталей время устойчивости аустенита разное (С-образные кривые), то и скорость охлаждения при отжиге для разных сталей разная. Она зависит от устойчивости аустенита в области перлитного превращения.

Изучая процесс нормализации, прежде всего уясните разницу между отжигом и нормализацией в их назначении и способах проведения процесса. При отжиге скорость охлаждения разная для разных сталей, так как в структуре должен быть перлит. При нормализации же скорость охлаждения для всех сталей одна и та же — на воздухе. Поэтому после нормализации у разных сталей получается разная структура, она зависит от критической скорости закалки. В углеродистой стали после нормализации структура практически получается такая же, как и после отжига, но более мелкая, поэтому прочность нормализованных сталей несколько выше, чем отожженных. В ряде случаев для углеродистой стали вместо отжига можно производить нормализацию. В легированных сталях в зависимости от критической скорости закалки в структуре может быть сорбит, троостит, мартенсит.

При изучении закалки прежде всего уясните, как выбирается температура нагрева в зависимости от содержания углерода в стали. Для доэвтектоидной стали всегда дают полную закалку, так как при неполной остается феррит, который образует мягкие участки. Для заэвтектоидной стали можно дать неполную закалку, так как остающийся цементит твердости не снижает. Нужно знать охлаждающие среды и требования к ним. Следует иметь в виду, что при чрезмерном увеличении скорости охлаждения получаются большие внутренние напряжения, коробления и могут быть трещины.

Запишите, что называется прокаливаемостью стали и как на нее влияет критическая скорость закалки. Разберите основные методы закалки, применяемые на практике, в каких случаях какой метод целесообразно применять. Желательно кривые охлаждения при различных методах закалки нанести на диаграмму изотермического распада аустенита, тогда наглядно видна разница между ними.

Изучая ступенчатую и изотермическую закалку, обратите внимание на то, что температура горячей среды, в которой происходит выдержка, может быть одинаковой (вблизи мартенситной точки), но при ступенчатой закалке время выдержки должно быть меньше времени устойчивости аустенита при данной температуре, поэтому окончательная структура—мартенсит. При изотермической закалке время выдержки должно обеспечить полный распад аустенита на игольчатый троостит. Игольчатый троостит обладает значительно меньшей твердостью, чем мартенсит, поэтому изотермическую закалку нельзя применять для режущего инструмента, но она обеспечивает большую прочность при минимальных внутренних напряжениях, так как отсутствует мартенситное превращение. Ее наиболее целесообразно применять для тех деталей, которые работают с временными перегрузками и при работе которых отсутствует пластическая деформация, например для пружин.

В сталях, у которых мартенситная точка лежит ниже 0°С, после закалки может появиться большое количество остаточного аустенита. Такие стали, например, легированные инструментальные или постоянные магниты, для уменьшения количества остаточного аустенита после закалки обрабатывают холодом, т.е. охлаждают ниже 0°С.

В результате закалки в деталях всегда возникают внутренние напряжения в связи с резким охлаждением и фазовыми превращениями. Для уменьшения напряжений, увеличения вязкости, иногда снижения твердости после закалки всегда следует отпуск — окончательная термическая обработка, которая определяет конечную структуру, а значит свойства и качество деталей. Необходимо знать структуру после каждого вида отпуска, температуру различных видов отпуска и для каких деталей обычно применяется низкий, средний и высокий отпуск. Наилучшим сочетанием между прочностью и вязкостью обладает сорбит отпуска, поэтому термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением стали.

Детали, которые должны иметь твердость только на поверхности, подвергают поверхностной закалке, в результате чего увеличивается общая прочность деталей, так как увеличивается предел выносливости. Разберите основные методы поверхностной закалки. Уделите внимание закалке токами высокой частоты (ТВЧ), так как ее наиболее легко автоматизировать и получить наилучшие результаты. При изучении поверхностной закалки газовым пламенем надо иметь в виду, что для крупных деталей это в ряде случаев единственный метод поверхностного упрочнения.

Нужно знать новые прогрессивные методы упрочнения деталей: термомеханическую, ультразвуковую, термомагнитную обработку. Запишите, что высокотемпературной термомеханической обработке (ВТМО) можно подвергать любые стали, а низкотемпературной (НТМО) - только те, у которых переохлажденный аустенит обладает повышенной устойчивостью, т.е. легированные.

Вопросы для самопроверки

1. Пользуясь диаграммой железо—цементит, укажите, до какой температуры нагревают сталь, содержащую 1,2% углерода при отжиге 2-го рода? 2. От чего зависит скорость охлаждения при отжиге 2-го рода? 3. Какая разница между отжигами 2-го и 1-го рода? 4. В чем принципиальное отличие изотермического отжига от обычного и в чем его преимущества? От чего зависят получающиеся структуры после нормализации? 5. Какая закалка называется полной, а какая — неполной? 6. От чего зависит выбор охлаждающей среды при закалке? 7. Почему для доэвтектоидной стали всегда производят полную закалку? 8. Какая структура получается в стали после ступенчатой и после изотермической закалки? 9. В чем заключается обработка холодом? В каких случаях она целесообразна? 10. 3ачем после закалки производится отпуск стали? От чего зависит выбор температуры отпуска? 11. В чем достоинства поверхностной закалки ТВЧ перед другими видами поверхностной закалки?

2.7 Химико-термическая обработка стали

Сущность и назначение химико-термической обработки (ХТО), основные виды. Цементация стали, цель и сущность процесса. Термическая обработка после цементации. Структура и механические свойства цементованного слоя. Азотирование, назначение технология. Цианирование стали в расплавленных солях. ТО цианированных деталей. Нитроцементация. Диффузионная металлизация. Техника безопасности при проведении ТО и ХТО.

Методические указания

При изучении цементации особое внимание уделите газовой цементации, как наиболее прогрессивному методу, который позволяет наиболее полно осуществить механизацию и автоматизацию процесса. Запомните, что твердость поверхностного слоя после цементации получается только при последующей закалке, сердцевина при этом остается вязкой, так как стали с малым содержанием углерода практически не закаливаются.

Достоинства азотирования в том, что твердость не снижается при повторных нагревах до 500—600°С и увеличивается сопротивление коррозии в неэлектролитах. Но азотирование — процесс очень дорогой и непроизводительный, поэтому применять его следует только в тех случаях, когда никакая другая обработка не обеспечивает нужных свойств. Например, для деталей, которые подвергаются истиранию и работают в условиях коррозии, или для деталей, которые истираются и во время работы могут периодически нагреваться до 500—600°С (нельзя путать детали, которые периодически нагреваются во время работы, например штампы для горячей штамповки во время соприкосновения с заготовкой, с деталями, которые постоянно нагреты во время работы, например лопатки газовых турбин).

При изучении цианирования обратите внимание на свойства цианированного слоя в зависимости от температуры, при которой происходит цианирование, и на область применения низко-, средне- и высокотемпературного цианирования. Высокотемпературное цианирование обычно производится в газовой среде. Этот процесс называется нитроцементацией.

Нужно иметь представление о диффузионной металлизации хромом, алюминием и другими элементами, понимать принципиальное отличие диффузионного насыщения поверхности металлами от гальванических покрытий, а главное - назначение каждого метода.

Вопросы для самопроверки

1. Для деталей, из каких сталей производится цементация? 2. Какая термическая обработка следует после цементации? В чем достоинства и недостатки азотирования? 3. Укажите основные виды азотирования. 4. Какая принципиальная разница между диффузионной металлизацией и поверхностным покрытием металлами?

2.8. Машиностроительные чугуны

Виды чугунов. Белый и серый чугун. Влияние основных примесей на свойства чугунов. Влияние формы графита на механические свойства чугунов. Область применения белых и серых чугунов.

Ковкий чугун. Способы получения ковкого чугуна. Структура, механические свойства и назначение ковкого чугуна. Высокопрочный чугун. Методы получения высокопрочного чугуна. Маркировка чугунов.

Методические указания

Чугун широко применяется как конструкционный материал, так как обладает хорошими литейными свойствами. Повторите из темы 1.1 влияние примесей на свойства чугунов. Разбирая механические свойства чугунов с графитом, обратите внимание на форму графитовых включений и их количество, так как от этого зависит прочность чугуна.

Графит меньше понижает вязкость металлической основы чугуна, если он имеет шарообразную форму. Такой формы графит получается при отжиге белых чугунов (ковкие чугуны) и в высокопрочных чугунах в результате модифицирования. Надо знать способы получения ковких чугунов. Следует иметь в виду, что ковкие чугуны, несмотря на их название, ковать нельзя.

В высокопрочных чугунах, модифицированных магнием, графит имеет шарообразную форму, что еще больше увеличивает прочность и пластичность. Высокопрочные чугуны могут выдерживать и некоторые ударные нагрузки. Уясните сущность модифицирования чугунов.

Нужно знать, что металлическая основа у серых, ковких и высокопрочных чугунов может быть одинаковая — перлитная или ферритная. Обязательно нужно знать маркировку чугунов по ГОСТу. В отличие от стали, чугуны маркируются не по содержанию углерода, а по механическим свойствам, так как при одинаковом содержании углерода они могут иметь разные свойства. Напишите несколько марок серых, ковких и высокопрочных чугунов, разберите значение входящих в них букв и чисел и напишите область применения этих чугунов.

После изучения темы нужно уметь: 1) исходя из количества и формы графита устанавливать сходство и различие в свойствах серых, ковких и высокопрочных чугунов; 2) расшифровывать марки серых, ковких и высокопрочных чугунов; 3) объяснять достоинства чугунов как конструкционных материалов.

Вопросы для самопроверки

1. В каком состоянии находится углерод в белых и серых чугунах? 2.Как влияют основные примеси на свойства чугунов? З.Укажите способы упрочнения серых чугунов. 4.Как получают ковкий чугун? 5.Какова форма графита в модифицированных чугунах? 6.Почему при шарообразной форме графита чугун имеет повышенную прочность? 7.Какая структура должна быть у антифрикционных чугунов? 8Напишите марки серых, ковких и высокопрочных чугунов.

Blog

Содержание