Методические указания к темам введение Предмет и содержание дисциплины "Материаловедение и технология конструкционных материалов"

Вид материала

Содержание

Подобный материал:

Материаловедение и технология конструкционных материалов

ПРОГРАММА И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ТЕМАМ

Введение

Предмет и содержание дисциплины "Материаловедение и технология конструкционных материалов", связь с другими дисциплинами. Методика изучения. Механические свойства и конструктивная прочность металлов и сплавов.

Роль материаловедения в современной технике. Условия работы теплоэнергетического оборудования и сооружений, определяющие необходимость использования широкого комплекса конструкционных материалов и методов повышения их работоспособности.

Методические указания

Студенты должны хорошо усвоить назначение конструкционных материалов, способы их обработки, а также место в ускоренном развитии промыслового флота и оснащении его новейшей техникой.
Необходимость тщательного изучения свойств материалов, знакомств с методами их получения, а также возможность замены одних материалов другими определяются рядом технических и экономических факторов:

1. Стремление к созданию прочных и легких конструкций.
2. Повышением скоростей движения деталей с резким увеличением сил инерции и напряженного состояния материалов.
3. Усложнением условий работы в связи с увеличением давления и повышения температур.
4. Уменьшением материалоемкости изделий.

Вопросы для самопроверки

1. Перечислите цели и задачи дисциплины "Материаловедение и технология конструкционных материалов".
2. Какие объективные причины вызывают необходимость изучения свойств материалов?
3. Укажите основные задачи в области производства металлов и других материалов.

Часть 1. Материаловедение

Тема 1. Критерии свойств конструкционных материалов, определяющих их работоспособность в различных условиях эксплуатации оборудования.

Общая схема разрушения. Критерии устойчивости к разрушению при статическом растяжении и изгибе, при динамическом и циклическом нагружении, в условиях замедленного разрушения. Вид излома как один из критериев стойкости к разрушению. Разрушение при изнашивании в различных условиях контактного взаимодействия и критерии износостойкости. Критерии коррозионного разрушения.

Методические указания

Рассмотрите физическую природу деформации и разрушения. Особое внимание уделите механизму пластической деформации, ее влиянию на микро- и субмикроструктуру, а также на плотность дислокаций. Уясните связь между основными характеристиками, строением и механическими свойствами. Разберитесь в сущности явления наклепа и его практическом использовании.

Изучите основные методы исследования механических свойств металлов и физический смысл определяемых при разных методах испытания характеристик. Обратите внимание на то, что свойства, полученные на гладких образцах, не совпадают со свойствами готового изделия, выполненного из предварительно испытанного материала. Это связано с наличием в реальных деталях отверстии, надрезов и других концентраторов напряжений, а также с различием в характере напряженного состояния образца и детали. Отсюда вытекает важность испытаний образцов с надрезами, позволяющих приблизить условия испытаний к условиям эксплуатации материала и получить результаты, характеризующие конструкционную прочность металла.

Вопросы для самопроверки

1. Каковы строение и свойства поликристаллических металлов по сравнению с монокристаллами?
2. Исходя из электронного строения атомов, установите, какими характерными свойствами обладают металлы.
3. В чем различие между упругой и пластической деформациями?
4. Как изменяется строение металла в процессе пластического деформирования?
5. Как изменяется плотность дислокаций при пластической деформации?
6. Как влияют дислокации на прочность металла?
7. Почему наблюдается огромное различие теоретической и практической прочности?
8. Как влияет изменение строения на свойства деформированного металла?
9. В чем сущность явления наклепа и какое он имеет практическое использование?
10.В чем заключается рекристаллизация металлов и как она отражается на их структуре и свойствах?
11. Какие характеристики механических свойств определяются при испытании на растяжение?
12.Что такое твердость? Какими методами определяется твердость?
13. Как влияют температура и скорость нагружения на характер разрушения?
14. Что такое ударная вязкость?
15. Что такое порог хладноломкости?
16. Назовите основные виды изнашивания и повреждаемости при трении в машинах?
17. Что такое конструктивная (конструкционная) прочность?
18. От чего зависит и как определяется конструктивная прочность?

Тема 2. Теория сплавов и диаграммы состояния.

Строение металлов и их кристаллизация. Факторы, влияющие на процесс кристаллизации. Полиморфное превращение в металлах. Типы сплавов: механические смеси, химические соединения, твердые растворы. Диаграммы состояния, экспериментальное построение диаграмм. Определение соотношения и химического состава фаз, находящихся в равновесии. Связь между свойствами сплавов и типом диаграмм состояния.

Методические указания

Прежде всего, необходимо изучить атомно-кристаллическое строение металлов, типы кристаллических решеток, расположение атомов в них, усвоить, что свойства кристаллов в различных направлениях неодинаковы.

В связи с этим нужно ознакомиться с понятием анизотропии, различными аллотропическими модификациями металлов, а также выяснить влияние несовершенств кристаллической решетки (вакансии, дислокация и др.) на их физико-механические свойства.

При изучении металлических сплавов следует уяснить взаимодействие двух компонентов в сплавах (образование твердых растворов, химических соединений, механических смесей).

Студенту необходимо усвоить четыре типа элементарных диаграмм состояния двухкомпонентных систем, понять метод построения диаграмм, значение линий на диаграммах, научиться определять критические точки.

Затем следует изучить зависимость между химическим составом, структурой и физико-механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами (диаграммы состояния - свойства, правило Курнакова).

Вопросы для самопроверки

1. Каковы строение и свойства поликристаллических металлов по сравнению с монокристаллами?
2. Исходя из электронного строения атомов, установите, какими характерными свойствами обладают металлы.
3. В чем заключается рекристаллизация металлов и как он отражается на их структуре и свойствах?
4. Что такое компонент фаза, физико-химическая система, число степеней свободы.
5. Приведите объяснение твердого раствора, механической смеси, химического (металлического) соединения.
6. Что представляют собой твердые растворы замещения и внедрения?
7. Основные группы металлических соединений и их особенности.
8. Как строятся диаграммы состояния?
9. Приведите уравнение правила фаз и объясните физический смысл числа степеней свободы.
10. Объясните принцип построения кривых нагревания и охлаждения с помощью правила фаз.
11. Как будет выглядеть участок кривой охлаждения, если число степеней свободы равно двум и имеется одна фаза? То же, для числа степеней свободы, равного единице, в случае выпадения твердой фазы и жидкой. То же, для числа степеней свободы равного нулю.
12. Начертите и проанализируйте диаграмму состояния для случая образования непрерывного ряда твердых растворов.
13. Начертите и проанализируйте диаграмму состояния для случая полной нерастворимости компонентов в твердом состоянии.
14. Начертите и проанализируйте диаграмму состояния для случая образования эвтектики, состоящей из ограниченных твердых растворов.
15. Каким образом определяются концентрация фаз и их количественное соотношение?
16. В чем различие между эвтектической и перитектической кристал-лизациями?
17. В чем различие между эвтектоидным и эвтектическим превращениями?
18. Виды ликвации и методы их устранения.
19. Какова связь между свойствами сплавов и видом диаграмм состояний (закон Курнакова)?

Тема 3. Железоуглеродистые сплавы.

Железо. Аллотропические превращения и свойства железа. Твердые растворы углерода в железе. Цементит. Диаграмма состояния системы железоуглерод. Компоненты, фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов, их характеристика и свойства. Углеродистые стали и чугуны. Влияние металлургической природы стали на ее свойства. Классификация сталей и чугунов.

Методические указания

Перед изучением диаграммы железо-цементит необходимо ознакомиться со структурными составляющими железоуглеродистых сплавов, изучить линии первичной кристаллизации и вторичных превращении, микроструктуру железоуглеродистых сплавов. Необходимо понять, как влияют углерод и постоянные примеси на структуру и свойства сталей и чугунов, а также усвоить принцип классификации углеродистых сталей и чугунов, обозначение марок по ГОСТу.

Вопросы для самопроверки

1. Назовите структурные составляющие, которые присутствуют в железоуглеродистых сплавах.
2. Как изменяются механические свойства стали в зависимости от содержания в ней углерода?
3. Каковы классификация и маркировка углеродистых сталей?
4. Укажите возможные виды металлической основы, которые могут встретиться в серых чугунах. С какой металлической основой чугун обладает наиболее высокими механическими свойствами?
5. Классификация и обозначение серых чугунов по ГОСТу.
6. Что такое феррит, аустенит, перлит, цементит и ледебурит?
7. Какие превращения происходят в сплавах при температурах А1, А2, А3, А4, Аст?
8. Построить с помощью правила фаз кривую охлаждения для стали с 0,8% С и для чугуна с 4,3% С.
9. Каковы структура и свойства технического железа, стали и белого чугуна?
10. Как классифицируют по структуре стали и белые чугуны?
11. В каких условиях выделяется первичный, вторичный и третичный цементиты?
12. Какое строение ледебурита при комнатной температуре, немного выше эвтектоидной температуры 727°С и немного ниже эвтектической температуры 1147° С?
13. Как влияют легирующие элементы на положение критических точек А1, А2, А3, А4, Аст?
14. Какие легирующие элементы являются карбидообразующими?
15. Какие легирующие элементы способствуют графитизации?
16. Как влияют легирующие элементы на свойства феррита и аустенита?
17. Как классифицируют легированные стали по структуре в равновесном состоянии?
18. В чем отличие серого чугуна от белого?
19. Каково строение эвтектики и эвтектоида в сером и белом чугунах?
20. Классификация и маркировка серых чугунов.
21. Каковы структуры серых чугунов?
22. Как получают высокопрочный чугун? Его строение, свойства и назначение.
23. В чем различие в строении ковкого и модифицированного чугунов?
24. Сравните механические свойства серого, ковкого и высоко* прочного чугунов.

Тема 4. Термическая обработка как средство воздействия
на структуру и свойства стали.

Превращение стали при нагреве. Рост зерна аустенита. Изотермический распад аустенита. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита. Мартенситное превращение, его особенности. Критическая скорость охлаждения и факторы, влияющие на нее. Строение и свойства мартенсита. Превращения при нагреве закаленной стали.

Методические указания

Термическая обработка производится путем теплового воздействия на стали и другие металлы и сплавы с целью изменения их структуры и свойств. Необходимо изучить превращения в сплавах (на примере стали) при нагреве и охлаждении, усвоить изотермическое превращение аустенита, а также превращения, протекающие при непрерывном охлаждении стали с различными скоростями, с образованием ряда структур (перлит, сорбит, тростит, мартенсит).

Вопросы для самопроверки

1. Механизм образования аустенита при нагреве стали.
2. Каковы механизмы и температурные районы образования структур перлитного типа (перлита, сорбита, троостита) и бейнита?
3. В чем различие между перлитом, сорбитом и трооститом?
4. Что такое мартенсит и в чем сущность и особенности мартенситного превращения?
5. Что такое критическая скорость закалки?
6. Что описывает мартенситная кривая?"
7. От чего зависит количество остаточного аустенита?
8. В чем сущность превращений, происходящих при отпуске?
9. Что такое коагуляция и как изменяются структура и свойства стали в связи с коагуляцией карбидной фазы при отпуске?
10. Чем отличаются структуры троостита, сорбита и перлита отпуска от одноименных структур, образующихся при распаде переохлажденного аустенита?
11. Каково практическое значение термокинетических диаграмм?
12.Как влияют легирующие элементы на перлитное превращение?
13. Как влияют легирующие элементы на мартенситное превращение?
14. Как протекает промежуточное превращение в легированной стали?
15. Как влияют легирующие элементы на превращения при отпуске?
16. В чем сущность явления отпускной хрупкости?
17. Как можно устранить отпускную хрупкость второго рода?

Тема 5. Технология термической обработки стали

Виды термической обработки стали. Отжиг первого рода. Отжиг с
фазовой перекристаллизацией. Полный отжиг. Изотермический отжиг.
Неполный отжиг. Сфероидизация. Нормализация стали. Закалка.
Выбор температуры закалки. Закалочные среды. Закалочные
напряжения. Методы закалки. Закаливаемость и прокаливаемость стали.

Обработка стали холодом. Отпуск стали. Виды и назначение отпуска.
Обратимая и необратимая отпускная хрупкость. Термомеханическая
обработка стали. Влияние термической обработки на структуру и
механические свойства стали.

Методические указания

Для практических целей нужно изучить технологию некоторых видов термической обработки (отжиг, закалка в различных средах, отпуск), их режимы, сущность протекающих превращений и особенности получаемых свойств.

Вопросы для самопроверки

1. Приведите определения основных процессов термической обработки: отжига, нормализации и закалки.
2. Какие вам известны разновидности процесса отжига и для чего они применяются?
3. Что такое закалка стали? Что называется критической скоростью закалки и от каких факторов она зависит? Выбор температур нагрева и скорости охлаждения при закалке стали.
4. Что такое отпуск стали? При каких температурах он производится?
5. Как при отпуске изменяются структура и свойства стали?
6. Какова природа фазовых и термических напряжений?
7. Какие вам известны разновидности закалки и в каких случаях они применяются?
8. Какие виды и причины брака при закалке?
9. Какие вам известны группы охлаждающих сред, и каковы их особенности?
10. От чего зависит прокаливаемость стали и в чем ее технологическое значение?
11. Какие вам известны технологические приемы уменьшения деформации при термической обработке?
12. Для чего и как производится обработка холодом?
13. Как изменяются скорость и температура нагрева изделий из легированной стали по сравнению с углеродистой?
14. В чем сущность и особенности термомеханической обработки?
15. Как влияет поверхностная закалка на эксплуатационные характеристики изделия?
16. Как регулируется глубина закаленного слоя при нагреве токами высокой частоты?
16. Каковы сущность и назначение диаграммы допустимых и преимущественных режимов нагрева под закалку токами высокой частоты?
17. Каковы преимущества поверхностной индукционной закалки?
18. Какие преимущества перед обычной закалкой имеет термомеханическая обработка и почему?

Тема 6. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа. Распределение легирующих элементов в стали. Влияние легирующих элементов на фазовые превращения при нагревании и охлаждении стали. Классификация и маркировка легированных сталей.

Методические указания

При изучении легированных сталей необходимо уяснить влияние легирующих компонентов на структуру и свойства стали, запомнить условные обозначения легирующих компонентов в написании марок стали и сплавов, научиться определять примерный состав по маркировке.

Нужно изучить немагнитные аустенитные стали, ознакомиться с
жаропрочными и другими сталями и сплавами, широко применяемыми в судостроении и машиностроении.

Вопросы для самопроверки

1. Почему сера, фосфор, кислород и водород относятся к вредным примесям в стали?
2. Какие фазы образуют легирующие элементы в стали?
3. Как получить при нормальной температуре структуру аустенит?
4. Какова концентрация углерода в перлите (эвтектоид) стали, содержащей -10% хрома?
5. Как получить ферритную сталь?
6. Какие стали относятся к ледебуритным?
7. По каким признакам классифицируют легированные стали?
8. Приведите различные классы сталей и марки по ГОСТу.
9. В каких случаях для изготовления деталей вместо углеродистой стали следует использовать легированную сталь?

Тема7. Конструкционные стали

Стали для металлоконструкций, резервуаров и трубопроводов. Машиностроительные стали для теплоэнергетического оборудования, насосов, компрессоров, запорной арматуры. Жаростойкие и жаропрочные стали для аппаратов и трубопроводов. Хладостойкие стали для сжиженных и охлажденных газов.

Методические указания

Нужно усвоить принципы маркировки стали и уметь по маркировке определить состав и особенности данной стали, а также иметь общее представление о разных группах стали.

Хорошо разберитесь во влиянии легирующих элементов на изменение структуры и свойств стали, особое внимание уделите технологическим особенностям термической обработки легированной стали различных групп.

Рассмотрите способы классификации (по структуре в нормализованном состоянии и, что особенно важно для машиностроителей, по назначению), основные принципы выбора для различного назначения цементируемых, улучшаемых, пружинно-рессорных и других сталей.

Вопросы для самопроверки

1. Приведите различные классы сталей и марки по ГОСТу.
2.В каких случаях для изготовления деталей вместо углеродистой стали следует использовать легированную сталь?
3. Расшифруйте химический состав стали марок: 40, 20Х, 30ХГСА, 50Г.
4. По каким признакам классифицируют легированные стали?
5. Как классифицируются конструкционные стали по технологии термической обработки?
6. Какие требования предъявляются к цементуемым изделиям?
7. Чем определяется выбор марки цементируемой стали для изделий различного назначения? Приведите примеры марок стали, используемых в различных условиях работы.
8. Какова термическая обработка цементуемых деталей?
9. Чем объясняется назначение процесса улучшения для конструкционной стали?
10. Как влияет степень легирования на механические свойства улучшаемой стали?
11. Термическая обработка улучшаемых сталей.
12. Чем определяется выбор марки улучшаемой стали для изделий различного назначения? Примеры марок стали, используемых в различных условиях работы.
13. Какие требования предъявляются к рессорно-пружинным сталям и как они классифицируются по прочностным свойствам?
14. Приведите примеры марок стали для рессор и пружин, работающих в различных условиях.
15.Термическая обработка рессорно-пружинной стали

Тема 8. Коррозионно-стойкие и износостойкие стали и сплавы

Хромистые ферритные и хромоникелевые аустенитные нержавеющие стали. Принципы повышения износостойкости сталей при различных видах изнашивания. Износостойкость углеродистых и легированных сталей.

Износостойкость сталей с нестабильным аустенитом и дисперсионно-твердеющих сталей. Износостойкость мартенситно-стареющих сталей.

Методические указания

Особое внимание следует уделить изучению теории электрохимической коррозии и теории ферромагнетизма. Это позволит более сознательно отнестись к выбору сталей и сплавов соответствующих классов: нержавеющих, высокопрочных, износостойких, жаропрочных, магнитных сплавов с особенностями электрического сопротивления и теплового расширения.

При изучении жаропрочных сталей обратите внимание на особенности поведения металла в условиях нагружения при повышенных температурах. Уясните сущность явления ползучести и основные характеристики жаропрочности; каковы предельные рабочие температуры и области применения сталей различного структурного класса.

В качестве примеров указать две-три марки стали каждой группы, расшифровать состав, назначить режим термической обработки и охарактеризовать структуру, свойства и область применения.

Вопросы для самопроверки

1. Расшифруйте химический состав стали марок: Г13, ШХ15, 18Х2Н4ВА, 5ХНМ, Х18Н9Т, Н18К8М5Т.
2. Какие вы знаете износостойкие стали?
3. Каковы особенности мартенситостареющих сталей?
4. Приведите примеры марок высокопрочной стали, назначьте. режим обработки.
5. Каковы требования, предъявляемые к нержавеющим сталям?
6. В чем сущность электрохимической коррозии (основы теории)?
7. Укажите марки хромистых нержавеющих сталей. Их состав, термическая обработка, свойства и назначение.
8. Укажите марки хромоникелевых нержавеющих сталей. Их свойства, состав, термическая обработка, назначение.
9. Что такое окалиностойкость?
10. Каковы требования, предъявляемые к жаростойким сталям?
11. Какими способами можно повысить окалиностойкость?
12. Каковы требования, предъявляемые к жаропрочным сталям?
13. В чем сущность явления ползучести?
14. Приведите определения предела ползучести и предела длительной прочности. Что такое скорость ползучести? Каков физический смысл этих характеристик?
15. Какими способами можно повысить жаропрочность стали? Объясните природу упрочнения.
16. Приведите примеры жаропрочных сталей перлитного, мартенситного и аустенитного классов. Укажите их состав, обработку, свойства и области применения.

Тема 9. Поверхностное упрочнение и модификация поверхности стали

Виды и назначение поверхностного упрочнения стали. Поверхностная закалка при индукционном нагреве. Стали пониженной и регламентированной прокаливаемости. Лазерное упрочнение. Превращения, протекающие при лазерной обработке. Методы лазерного упрочнения. Цементация в твердом карбюризаторе. Газовая цементация. Термическая обработка после цементации и свойства цементованных деталей. Азотирование стали. Режимы азотирования, стали для азотирования. Свойства азотирования слоя.

Методические указания

При изучении химико-термической обработки необходимо уяснить, в
чем состоит физическая сущность процесса, каким элементом осуществляется диффузионное насыщение поверхностных слоев стальной детали, в какой среде - твердой, жидкой или газообразной – происходит процесс насыщения, какие свойства поверхностного слоя получаются в процессе химико-термической обработки.

При изучении основ химико-термической обработки следует исходить из того, что принципы химико-термической обработки едины. Процесс химико-термической обработки состоит из выделения атомарного насыщающего вещества внешней средой, захвата (сорбции) этих атомов поверхностью металла и диффузии их внутрь металла. Поэтому нужно рассмотреть реакции в газовой среде при цементации или азотировании и усвоить современные представления о диффузии в металлах. В большинстве случаев насыщение может происходить из твердой, жидкой и газовой сред, а поэтому нужно знать наиболее удачные варианты насыщения для каждого метода химико-термической обработки и конечные результаты (поверхностное упрочнение и изменение физико-химических свойств).

Разберитесь в технологии проведения отдельных видов химико-термической обработки. Уясните преимущества и области использования цементации, азотирования, цианирования и различных видов диффузионной металлизации.

Объясните влияние легирования на механизм формирования структуры поверхностного слоя. Рассмотрите сущность и назначение дробеструйного поверхностного наклепа и его влияние на эксплуатационные свойства деталей машин.

Вопросы для самопроверки

1. Каковы назначение и способы химико-термической обработки стали?
2. В чем заключаются физические основы химико-термической обработки?
3. Химизм процесса азотирования.
4. Химизм процесса цементации.
5. Назначение и режим термической обработки после цементации.
6. Чем отличаются режимы цементации легированной стали и углеродистой?
7. Каковы свойства цементированных и азотированных изделий?
8. Химизм и назначение процесса цианирования.
9. В чем различие между диффузионным и гальваническим хромированием?
10. Для каких целей и как производится нитроцементация?
11. Сущность и назначение процесса борирования.
12. Как изменяются свойства изделий при дробеструйной обработке и какова природа этих изменений?
13. Как влияет поверхностное упрочнение на эксплуатационные характеристики изделий.

Тема 10. Твердые сплавы и композитные материалы Понятие о порошковой металлургии. Типы твердых сплавов. Минералокерамическое литье, порошкообразные, зернообразные и электродные твердые сплавы. Стандарт и технические условия на твердые сплавы. Композитные материалы.

Методические указания

Ознакомьтесь с видами и свойствами металлокерамических порошков. Изучите основные способы формирования брикетов путем холодного и горячего прессования, проката и др. Важно выяснить режим спекания порошков (температурный интервал, длительность спекания).
Изучите технологию получения заготовок из порошков магнитных материалов способом порошковой металлургии.

Вопросы для самопроверки

1. Что представляют собой твердые сплавы? Каковы их свойства и преимущества?
2. Какие Вы знаете безвольфрамовые твердые сплавы?
3. Укажите марки твердых сплавов, их состав и назначение.
4. Какие Вы знаете поликристаллические сверхтвердые материалы на основе нитрида бора- композиты?
5. Каковы особенности и области применения металлокерамических сплавов?

Тема 11. Цветные металлы и сплавы

Алюминий и его сплавы. Классификация алюминиевых сплавов. Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой. Термическая обработка алюминий-медных сплавов. Литейные алюминиевые сплавы. Медь и медные сплавы. Классификация медных сплавов. Латуни обыкновенные и специальные. Бронзы оловянистые и безоловянистые. Влияние условий эксплуатации на работоспособность теплоэнергетического оборудования из цветных сплавов. Способы повышения коррозионной стойкости и износостойкости цветных сплавов. Титан и его сплавы. Перспективы применения титановых сплавов для теплоэнергетического оборудования.

Методические указания

Обратите внимание на основные преимущества алюминиевых и магниевых сплавов, связанные с их высокой удельной прочностью. Рассмотрите классификацию алюминиевых сплавов и обоснуйте технологический способ изготовления изделий из сплавов каждой группы. Разберитесь в основах теории термической обработки (старения) легких сплавов. Обоснуйте выбор способа упрочнения деформируемых и литейных сплавов.

Рассмотрите классификацию магниевых сплавов.

Изучите классификацию медных сплавов и уясните маркировку, состав, структуру, свойства и области применения разных групп медных сплавов.

Вопросы для самопроверки

1. Свойства и применение алюминия.
2. Как классифицируются алюминиевые сплавы?
3. Какие сплавы упрочняются путем термической обработки? Укажите их марки, состав, режим термической обработки, свойства.
4. В чем сущность процесса старения?
5. Какие сплавы упрочняются нагартовкой?
6. Какие вы знаете литейные алюминиевые сплавы? Приведите их марки, состав, обработку, свойства.
7. Как и для чего производится модифицирование силумина?
8. Какие вы знаете жаропрочные алюминиевые сплавы? Укажите предельные рабочие температуры их использования.
9. Каковы свойства магния?
10. Как классифицируются магниевые сплавы?
11. Укажите марки, состав, обработку, свойства и назначение различных сплавов на основе магния.

Тема 12. Пластические массы

Полимерные материалы. Аморфные и кристаллические полимеры. Зависимость свойств от величины и типа кристаллических структур. Особенности механических свойств полимеров. Релаксационные процессы. Термостойкие полимеры. Пластмассы. Определение, классификация. Основные свойства пластмасс: прочность, коэффициент трения, водостойкость, теплофизические свойства. Влияние внешних условий: температуры, среды, величины и времени действия нагрузки, скорости нагружения на свойства пластмасс. Применение пластмасс в качестве конструкционных и изоляционных материалов для теплоэнергетического оборудования.

Технология изготовления изделий из пластмасс. Классификация способов производства этих изделий. Сущность и технология методов получения деталей: прессование компрессионное (прямое) и литьевое, литье под давлением, экструзия. Инструмент, оборудование, области применения.

Методические указания

При изучении неметаллических материалов необходимо прежде всего усвоить, что в основе неметаллических материалов лежат полимеры. Обратите внимание на особенности строения полимеров, которые определяют их механические и физико-химические свойства. Классификацию полимеров рассмотрите с учетом особенностей их состава и строения.

Рассматривая пластические массы, необходимо понять, что это искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связывающих веществ, которые являются обязательными компонентами пластмасс. Изучите различные группы пластических масс, их свойства и области применения.

Знакомство с технологией изготовления изделий из пластмасс необходимо начать с изучения сущности применяемых способов. Следует также ознакомиться с применяемым инструментом и оборудованием.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие материалы относятся к неметаллическим, каковы их преимущества по сравнению с металлами и сплавами?
2. Как влияет форма макромолекул полимеров на их физико-механические свойства?
3. Как классифицируются полимерные материалы по происхождению, отношению к нагреву, полярности?
4. Какие полимеры называются термопластичными, термореактивными? Приведите примеры.
5. Каковы температурные зависимости прочностных характеристик термопластичных и термореактивных полимеров?
6. В чем сущность старения полимерных материалов?
7. Дайте определение пластмасс. Назовите их состав и общие свойства. Как классифицируют пластмассы по связующему и наполнителю?
8. Назовите основные термопластичные пластмассы, их состав, разновидности, свойства и применение.
9. Назовите термореактивные пластмассы с органическими наполнителями. Каковы их свойства?
10. Какие пластики являются термостойкими, каковы их разновидности и свойства?
11. Назовите свойства органического стекла и способы повышения его качества.
12. Классификация пластических масс, применяемых для изготовления деталей в машиностроении.
13. Сущность обработки термопластов прямым и литьевым прессованием. Схема процесса, применяемое оборудование.

Тема 13. Резиновые и другие неметаллические материалы

Резины. Определения. Состав и назначение ингредиентов. Вулканизация. Влияние состава резин на их свойства. Классификация резин. Механические свойства резин и их особенности. Износостойкость резин. Старение резин. Влияние рабочих условий: температуры, минерализации среды, содержания углеводородов и кислых газов на свойства резин. Выбор резин для изделий с учетом условий их эксплуатации в конструкции. Резины как изоляционный материал.

Стекло и керамика. Состав и назначение компонентов. Классификация и области применения.

Технология и способы изготовления изделий из резины Инструмент, оборудование, области применения.

Технология получения изделий из стекла и керамики. Сущность способов производства технического стекла и керамики. Обработка изделий.

Технология изготовления изделий методом порошковой металлургии. Виды и свойства металлокерамических материалов, применяемых в судостроении и машиностроении. Сущность способов производства изделий методом порошковой металлургии.

Методические указания

Как технический материал резина отличается от других материалов высокими эластичными свойствами, что связано со свойствами самой основы резины - каучука. Уясните состав резины, способы получения и влияния различных добавок на ее свойства. Подробно рассмотрите влияние порошковых и органических наполнителей на свойства резины, изучите физико-механические свойства и области применения резин различных марок.

Поскольку большинство неорганических материалов содержит различные соединения кремния с другими элементами, эти материалы получили общее название силикатных материалов. Обратите внимание на внутреннее строение неорганического стекла. Уясните сущность стеклообразного состояния как разновидности аморфного состояния вещества. Разберитесь в изменении свойств стекла в зависимости от состава. Рассмотрите стеклокристаллические материалы (ситаллы) и их отличие от стекла минерального. Уясните причины образования кристаллической структуры ситаллов.

При изучении керамических материалов обратите внимание на отличие технической керамики от обычной. Разберитесь в химическом и фазовом составах технической керамики, ее свойствах и области применения.

Изучая технологию изготовления изделий из резины, необходимо обратить внимание на состав резиновых смесей. Затем, в зависимости от конструкции изделий, масштабов их выпуска и свойств резиновой смеси выбрать способ изготовления изделий (литье под давлением, прессование, экструзия) и рассмотреть схемы этих процессов.

Прежде чем изучить технологию изготовления изделий из стекла и керамики, следует рассмотреть виды, состав и свойства стекол и керамики, а затем перейти к технологии получения промышленных стекол и электроизоляционной керамики. При этом обратите внимание на особенности строения, способы получения стекловолокна, пеностекла, ситалла и электроизоляционной керамики (высокочастотной, установочной, конденсаторной, пьезоэлектрической и ферромагнитной).

Ознакомьтесь с видами и свойствами металлокерамических порошков. Изучите основные способы формирования брикетов путем холодного и горячего прессования, проката и др. Важно выяснить режим спекания порошков (температурный интервал, длительность спекания).
Изучите технологию получения заготовок из порошков магнитных материалов способом порошковой металлургии.

Литература [1], с. 773-780; [2], с, 482-514

Вопросы для самопроверки

1. Что называется резиной? Каковы ее состав и назначение отдельных компонентов (ингредиентов)?
2. В чем сущность процесса вулканизации; как изменяются свойства резины после вулканизации?
3. Назовите основные синтетические каучуки, их состав и области применения резин на их основе?
4. Назовите основные физико-механические свойства различных резиновых материалов и их применение.
5. В чем сущность процессов старения резины? Какими способами защищают резину и резиновые детали от старения? Укажите эксплуатационную стойкость резин.
6. Как изменяются свойства резин под действием озона, температуры, радиации и вакуума?
7. Укажите особенности строения графита и его важнейшие свойства.
8. Как изменяется прочность графита от температуры?
9. Охарактеризуйте технический и пиролитический графиты, назовите области их применения.
10. Опишите неорганическое техническое стекло, назовите его состав, разновидности, свойства и применение. Какими способами повышают качество стекла?
11. Что такое стеклопластики? Назовите их состав, свойства и применение. Как влияет вид наполнителя и связующего вещества ни физико-механические свойства стеклопластиков?
12. Что такое ситаллы, укажите способы их получения, разновидности, свойства и применение?
13. Что представляет собой техническая керамика, ее разновидности?
14. Назовите представителей керамики на основе чистых оксидов. Дайте сравнительную оценку свойств.
15. Какие вы знаете виды бескислородной керамики? Назовите их разновидности, свойства и применение
16. Схема процесса получения резиновых изделий обычным и литьевым прессованием.
17. Из каких стадий состоит технологический процесс получение стекол? Характеристика этих стадий. Какое оборудование при этом применяют?
18.Приведите основные технологические операции при получении керамических изделий.
19.Основные стадии технологического процесса получения изделий способом порошковой металлургии, их краткая характеристика.
20.Изложите основные свойства и дайте характеристику металлических порошков.

Часть 2. Технология конструкционных материалов

Тема 14. Основы металлургического производства

Производство чугуна, Развитие производства чугуна. Доменный процесс. Устройство доменной печи. Физико-химическая сущность доменного процесса. Продукты доменной плавки. Технико-экономические показатели работы доменной печи.

Производство стали. Получение стали в конвертерах, мартеновских печах и электропечах. Особенности плавки стали в различных плавильных агрегатах. Области применения конвертерной, мартеновской и электросталей.

Производство меди. Основные способы получения меди. Медные руды. Плавка на штейн. Переработка медного штейна в черновую медь. Рафинирование меди.

Производство алюминия. Исходные материалы, получение и электролиз глинозема. Рафинирование алюминия. Марки алюминия.
Производство чистых металлов и полупроводников. Способы получения чистых металлов. Получение полупроводниковых материалов.

Методические указания

Изучая производство металлов и сплавов, следует прежде всего ознакомиться со схемами устройств и принципами работы плавильных и вспомогательных агрегатов, с исходными материалами для получения металлов, происходящими физико-химическими процессами, выяснив при этом роль шлака для удаления из расплавленного металла серы, фосфора, закиси железа, особенно при выплавке стали.

Особое внимание следует уделить кислородно-конверторному способу получения стали и производству сплавов в электропечах.

В заключение необходимо ознакомиться со способами получения особо чистых металлов и полупроводниковых материалов тетрахлоридным, электролитическим и иодидным методами. Следует изучить производство полупроводниковых материалов методами зонной плавки выращивания монокристаллов вытягиванием из расплава.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется рудой и какие руды используются для получения металлов? Назовите способы обогащения руд.
2. Назначение флюсов при получении металлов и виды флюсов.
3. Какие требования предъявляются к огнеупорным материалам?
4. Назовите продукты доменной плавки и укажите области их применения.
6. Какова физико-химическая сущность переработки чугуна в сталь?
7. Какими технико-экономическими показателями характеризуется получение стали в конвекторах, мартеновских и электродуговых печах? Какой из способов является экономически наиболее эффективным?
8. Объясните процесс получения черновой меди. Какие при этом происходят реакции?
9. Приведите схему электролиза глинозема и укажите, какие при этом происходят реакции.
10.Какие вы знаете методы переработки титановых руд для получения металлического губчатого титана?
11. Как получают монокристаллы германия (метод Чохральского)?
12.В чем состоит метод зонной плавки, какие разновидности этого метода вы знаете?

Тема 15. Технология литейного производства

Значение литейного производства в машиностроении и судостроении. Перспективы его развития. Теоретические основы производства отливок. Литейные свойства сплавов и их влияние на качество отливок. Контроль качества отливок, Виды дефектов литья. Способы исправления литейных дефектов.

Способы изготовления отливок. Изготовление отливок в песчано-глинистых формах. Сущность способа. Модельный комплект. Формовочные и стержневые смеси. Требования, предъявляемые к ним. Приготовление смесей. Литниковая система. Понятие о технологии изготовления литейных форм и стержней.

Изготовление фасонных отливок специальными способами литья. Изготовления отливок в оболочковых формах и по выплавляемым моделям. Сущность способов. Формовочные материалы. Модельная оснастка. Последовательность изготовления форм и стержней. Заливка форм.

Получение отливок в металлических формах (кокилях), центробежным литьем и литьем под давлением. Сущность каждого способа. Схемы этих процессов.

Изготовление отливок из чугуна, стали. и цветных сплавов. Применение отливок, получаемых из различных сплавов. Приготовление сплавов (шихтовые материалы). Плавильные агрегаты, применяемые для плавки чугуна, стали и цветных сплавов. Особенности изготовления отливок из различных сплавов.

Методические указания

Сначала следует ознакомиться с современным состоянием и значением литейного производства в машиностроении, уяснить, что этот вид производства является важнейшей заготовительной базой машиностроения, позволяющей получать из различных сплавов изделия самой сложной конфигурации и низкой стоимости.

Затем необходимо разобраться в технологических процессах получения отливок различными способами: в песчано-глинистых формах, в оболочковых формах, по выплавляемым моделям, в металлических формах (кокилях), центробежным литьем под давлением, специализированными способами.

Рекомендуется следующий порядок изучения: принципиальная схема процесса, состав формовочных смесей, последовательность операций, получение форм, порядок сборки форм, плавка и заливка металла, выбивка, обрубка и очистка отливок.

Особое внимание следует обратить на основные виды дефектов отливок, отметив влияние нарушений технологического процесса и нетехнологичности конструкций отливок на появление различных видов брака литья. Затем рекомендуется ознакомиться с современными методами и аппаратурой, применяемой для контроля всех стадий процесса изготовления отливок и используемых материалов. Следует четко уяснить, какие дефекты можно подвергнуть исправлению и какие отливки являются окончательным браком.

Вопросы для самопроверки

1. Назовите преимущества производства литых деталей и заготовок литьем по сравнению с другими способами их получения.
2. Каковы основные литейные свойства сплавов и способы их определения?
3. Охарактеризуйте схему технологического процесса изготовления отливок.
4. В чем заключается сущность способа изготовления отливок в песчано-глинистых формах?
5. Охарактеризуйте схему технологического процесса получения отливок в оболочковых формах, его достоинства и недостатки. Назовите области применения способа.
6. В чем заключается сущность изготовления отливок в кокилях?
7. Охарактеризуйте получение отливок центробежным способом.
8. Опишите схему технологического процесса получения отливок под давлением.
9. Назовите основные элементы литниковой системы.
10. Укажите способы плавки сплавов тугоплавких металлов.
11. Перечислите дефекты литья и способы их устранения.

Тема 16. Технология обработки металлов давлением

Основные способы обработки металлов давлением. Пластическая деформация металлов и сплавов. Влияние пластической деформации на структуру и физико-механические свойства металлов и сплавов. Нагрев металла перед обработкой давлением.

Получение машиностроительных профилей. Прокатка и понятие об этом процессе. Прокатные станы. Прессование. Сущность процессов прямого и обратного прессования. Область применения.

Волочение. Сущность этого процесса. Оборудование, область применения волочения. Способы получения поковок.

Свободная ковка и штамповка. Сущность и схемы этих процессов. Краткие сведения об оборудовании. Технико-экономические показатели производства поковок методами свободной ковки и объемной штамповки.

Методические указания

Обработка металлов давлением - один из прогрессивных способов получения заготовок и деталей сложной конфигурации. При этом методе повышается коэффициент использования металла, уменьшаются отходы, улучшаются свойства металла.

Изучая обработку металлов давлением, следует уяснить понятия пластичности, ковкости, штампуемости и методы их определения, механизм пластической деформации моно- и поликристаллов, влияние пластической деформации на структуру и свойства металлов.

Необходимо усвоить понятие горячей и холодной обработки давлением, явления, которыми они охарактеризуются: наклеп и рекристаллизация.

Для обеспечения равномерного прогрева заготовки по высоте и сечению необходимо уметь правильно выбрать режим нагрева. Рассматривая процесс прокатки, следует изучить схему и сущность процесса: как происходить захват металла валками, деформация металла в какие виды-деформации различают при прокатке.

При изучении прессования необходимо запомнить, что этот способ применяют для обработки давлением труднодеформируемых сталей и сплавов цветных металлов.

Необходимо понять сущность процесса волочения при получении прутков, фасонных профилей и труб, а также изучить устройство инструмента (волоки) и оборудования (волочильные станы). Волочение производят обычно в холодном состоянии, что приводит к появлению в металле наклепа. Для снятия наклепа с целью достижения в готовом изделии заданной структуры и свойств применяют отжиг.

Особое внимание следует обратить на технологию изготовления поковок методом свободной ковки, основные операции свободной ковки, кузнечный инструмент, изменение макроструктуры металла и его свойств.

Необходимо изучить два основных способа штамповки - в открытых и закрытых штампах. Далее следует рассмотреть устройство и принцип работы штамповочных молотов и прессов.

Вопросы для самопроверки

1. За счет чего повышаются прочностные характеристики деталей при получении их различными способами - обработкой давлением и литьем?
2. Назовите методы определения пластичности, ковкости и штампуемости металлов.
3. В чем заключается сущность явлений наклепа и рекристаллизации металлов?
4. Объясните, что значит волокнистая структура, от чего она зависит. Как используют волокнистость структуры для повышения срока службы деталей?
5. Какие требования предъявляют к нагреву металла?
6. Назовите сортамент выпускаемых прокатных изделий.
7. Кратко объясните принципиальную схему технологического процесса продольной прокатки.
8. Приведите схемы и изложите сущность процесса прессования металла прямым и обратным методами, их особенности, достоинства, недостатки и области применения.
9. Объясните сущность процесса свободной ковки и влияние ковки на структуру и свойства металла,
10. Назовите операции свободной ковки. Какой при этом применяется кузнечный инструмент?
11. Объясните схемы объемной штамповки в открытых и закрытых
штампах. В чем преимущества горячей объемной штамповки по сравнению со свободной ковкой?

Тема 17. Технология сварочного производства и пайка металлов Физические основы получения сварного соединения. Классификация
способов сварки.

Термический класс сварки. Электрическая дуговая сварка. Сущность
процесса и виды электродуговой сварки. Источники сварочного тока.

Ручная электрическая дуговая сварка. Электроды и их классификация. Электродные обмазки. Технологические режимы сварки.

Автоматическая и полуавтоматическая сварка под слоем флюса. Особенности автоматической сварки по сравнению с ручной. Электрошлаковая сварка. Технология процесса. Преимущества электрошлаковой сварки. Особые методы сварки плазменной струей, электронным лучом, лазером.

Термомеханический класс сварки. Контактная сварка. Виды контактной сварки, сущность процессов. Машины для контактной сварки. Основы технологии контактной сварки.

Газовая сварка и резка. Сущность процессов сварки и резки металлов. Применяемая аппаратура для газовой сварки и резки.

Наплавка и пайка металлов. Сущность процесса наплавки. Технология ручной наплавки. Современные способы наплавки. Пайка металлов и сплавов. Классификация способов пайки и материалы, применяемые при пайке. Оборудование. Технология лужения и пайки. Область применения пайки.

Контроль качества сварных и паяных соединений. Виды их дефектов. Способы контроля качества сварных и паяных соединений.

Методические указания

При изучении этого раздела необходимо получить ясное представление о сложности протекающих при сварке физико-химических и тепловых процессов, используя знания, полученные при изучении раздела "Основы металловедения и термической обработки".
Затем нужно ознакомиться с классификацией способов сварки, их краткой характеристикой и особенностями применения в судоремонте, отметив преимущества сварки по сравнению с другими изготовления и ремонта деталей.

Особое внимание надо обратить на изучение сущности дуговой электросварки, источники питания дуги, применяемые электроды и способы дуговой сварки, а также автоматизацию процессов электросварки.

Следует ознакомиться с используемым оборудованием и технологическими приемами электрошлакового процесса, позволяющими сваривать за один проход детали большой толщины.

Необходимо рассмотреть виды контактной сварки, их технологические режимы и используемое оборудование, изучить применяемые в судоремонте три способа огневой резки металлов -дуговую, ацетиленокислородную и плазменную.

Нужно усвоить технологию газокислородной резки, знать, какие условия необходимы для осуществления процесса резки, какие при этом выполняются операции и каков порядок их осуществления, изучить безопасные приемы работы при огневой резке, обратить внимание на способы подводной сварки и резки металлов.

Далее следует рассмотреть газотермические и плазменные способы нанесения защитных покрытий, которые позволяют получить на поверхности деталей машин упрочняющий слой, способствующий удлинению срока службы деталей.

Изучение пайки металлов надо начинать с выяснения сущности процесса, затем изучить технологию пайки, подготовку поверхности деталей, способы нагрева металла, припои.

Необходимо ознакомиться с дефектами сварных и паяных соединений, а также с методами контроля и видами испытаний этих соединений.

Вопросы для самопроверки

1. Какие признаки положены в основу классификации методов сварки металлов?
2. Нарисуйте схему сварочной дуги. Какие процессы идут при ее возбуждении?
3. Каким требованиям должен отвечать источник питания дуги?
4. Для чего металлические электроды покрывают обмазками? Из каких компонентов они состоят?
5. Как классифицируются электроды с обмазками?
6. Как изготовляют керамические флюсы?
7. Какие режимы и приемы используются при выполнении ручной дуговой сварки?
8. Какими методами контролируют качество сварных соединении?
9. Какие физические процессы являются источниками тепла при контактной и ванно-шлаковой сварке?
10. Как определяют параметры режима точечной и шовной сварки? И. Какие условия необходимы для осуществления кислородной резки?
12. Начертите принципиальную схему плазменной резки и объясните принцип работы плазмотрона.
13. В чем сущность электродуговой сварки и резки под водой?
14. Начертите эскиз электрода для подводной электрокислородной резки.
15. В чем отличие технологии пайки мягкими припоями от пайки твердыми припоями?
16. В чем сущность ультразвуковой, контактной пайки, пайки в вакууме и инертных газах?
17. Что такое активные и пассивные флюсы при пайке?

Тема 18. Технология обработки металлов резанием

Физические основы формообразования поверхностей деталей машин. Основы технологии обработки металлов резанием. Классификация технологических методов обработки по их физической сущности. Движение для осуществления процесса резания. Режимы резания.

Инструмент для формирования поверхностей деталей машин. Составные части и элементы инструмента. Углы режущих инструментов. Понятие о стойкости инструментов.

Технологические методы формирования поверхности деталей машин с использованием лезвийного инструмента. Назначение метода и принципы формообразования на станках токарной, сверлильной и фрезерной группы.

Технологические методы формообразования поверхностей деталей машин с использованием абразивного инструмента. Абразивные материалы.

Технологические методы отделочной обработки поверхностей. Формообразование поверхностей методом упрочняющей обработки. Общая характеристика, назначение и физическая сущность методов.
Электрохимические и электрофизические методы формообразования поверхности деталей машин. Роль и значение электрофизических и электрохимических методов обработки в машиностроении. Физические и химические процессы, лежащие в основе технологических методов. Преимущества и недостатки методов.

Методические указания

Обработка материалов резанием является одним из основных способов получения деталей с заданной точностью и чистотой поверхности.

Необходимо ознакомиться с современным состоянием развития теории и технологии обработки материалов резанием, классификацией поверхностей и методов их обработки, требованиями к технологичности деталей, обрабатываемых резанием, кинематикой процесса резания, классификацией движений и геометрией срезаемого слоя.

Следует запомнить определение, обозначения и размерности элементов режима резания, элементы резца и его углы.

Изучите силы, действующие на резец, влияние различных показателей на скорость резания, а также скоростное и силовое резание как резерв повышения производительности труда.

При изучении материалов, из которых изготовляются резцы, следует обратить внимание на марки быстродействующих и твердых сплавов, особенно на минералокерамические сплавы, имеющие высокую износостойкость и дешевые в изготовлении.

Следует изучить принятую в стране классификацию металлорежущих станков, затем подробно рассмотреть приводы и передачи станков различных групп. Для чтения кинематических схем станков нужно запомнить условные обозначения различных узлов в соответствии с ГОСТами.

Необходимо рассмотреть основные виды токарных, сверлильных, расточных, строгальных, долбежных, протяжных, фрезерных, шлифовальных работ, применяемые инструменты, а также технологические требования, предъявляемые к деталям, обрабатываемым на различных станках.

При изучении электроэрозионных, ультразвуковых, лучевых и электрохимических методов размерной обработки следует разобраться в схемах этих видов обработки, понять, как и при каких условиях образуется искровой или искродуговой разряд, каким образом производится удаление частиц металла с поверхности электрода.

Следует знать разницу между этими видами обработки металлов, их достоинства и недостатки, изучить применяемое при этом оборудование (станки), марки, схемы устройства, принцип работы и режимы обработки, а также технологическое назначение этих видов обработки, качество обрабатываемых поверхностей, области их применения.

В заключение необходимо рассмотреть основные направления автоматизации механической обработки, переход от автоматизации отдельных операций к автоматическим линиям и комплексной
автоматизации.

Вопросы для самопроверки

1. Какие вы знаете способы обработки резанием и какие элементы режима резания присущи им?
2. Схематично изобразите способы обработки резанием и обозначьте на схемах направления главного движения и движения подачи.
3. Какими параметрами характеризуется режим резания? Объясните, что такое скорость резания. Какова ее размерность? Что такое подача?
4. Укажите плоскости и углы проходного токарного резца, объясните их назначение.
5. Что такое высокопроизводительное резание и какие резцы при этом применяют?

Blog

Методические указания к темам введение Предмет и содержание дисциплины "Материаловедение и технология конструкционных материалов"

Содержание