Контрольная МТКМ 01

6

Программа курса «Материаловедение и технология материалов»

РАЗДЕЛ I. Материаловедение

Тема 1. Введение. Общие сведения о металлах, сплавах и неметаллических материалах

Цели и задачи дисциплины «Материаловедение и технология материалов»

впрофессиональной подготовке инженерных кадров. Роль науки о материалах

вподготовке инженеров пожарной безопасности. Современные материалы, используемые для создания технических объектов и строительства инженерных сооружений: конструкционные, инструментальные, специального назначения. Классификация материалов, используемых в технике.

Основоположники науки о материалах, их вклад в развитие науки. Роль отечественной науки в развитии материаловедения. Роль дисциплины «Материаловедение и технология материалов» в совершенствовании технических объектов.

Агрегатные состояния вещества: газообразное, жидкое, твёрдое, плазменное. Кристаллические и аморфные тела. Особенности атомно-кристаллического строения кристаллических тел. Основные типы кристаллических решёток. Процесс образования кристаллической структуры материала, физическая сущность процесса кристаллизации. Изотропия и анизотропия. Явление полиморфизма.

Строение реальных кристаллов. Несовершенства (дефекты) кристаллического строения: точечные, линейные, поверхностные. Влияние дислокационной структуры на механические свойства (прочность) материалов. Теоретическая и фактическая прочность. Пути повышения прочности металлов и сплавов. Строение металлического слитка.

Тема 2. Физико-механические свойства материалов и методы их определения

Основные свойства материалов: механические, физические, химические и технологические.

Физические свойства материалов: плотность, температура плавления, теплоёмкость, теплопроводность, тепловое расширение, цвет. Методы оценки физических свойств. Структурные и физические методы исследования металлов и сплавов.

Механические свойства материалов и методы их определения. Механические характеристики материалов. Технологические и эксплуатационные свойства материалов.

Общие понятия о нагрузках, напряжениях, деформациях и видах разрушения материалов.

Дислокационный механизм упругопластической деформации.

7

Статические испытания материалов на: а) растяжение, б) сжатие, в) кручение, г) изгиб, е) твёрдость, ж) трещиностойкость.

Динамические испытания материалов на ударную вязкость и хладноломкость. Испытания материалов при циклическом нагружении.

Безобразцовые метод определения механических свойств. Неразрушающие методы контроля физико-механических свойств материалов.

Тема 3. Основы теории сплавов

Понятие о сплавах. Основные типы сплавов и их общая характеристика. Понятие диаграммы состояния. Основные типы диаграмм состояния двухкомпонентных сплавов: а) механических смесей; б) твёрдых растворов с неограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии; в) твёрдых растворов с ограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии; г) твёрдых растворов с переменной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии; д) химических соединений. Основные линии диаграмм состояния двойных сплавов и фазы. Правило фаз Гиббса. Определение количественного и фазового состава сплавов при конкретных температурах с помощью правила отрезков. Связь типа диаграмм состояния с физико-механическими свойствами сплавов, правило Н.С. Курнакова. Примеры диаграмм состояния сплавов. Термический анализ сплавов, кривые охлаждения.

Тема 4. Железоуглеродистые сплавы

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов (диаграмма «Fe – Fe3C). Основные линии диаграммы и точки критических температур структурно-фазовых превращений. Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов.

Стальная часть диаграммы железоуглеродистых сплавов. Углеродистые стали, микроструктура углеродистых сталей. Классификация углеродистых сталей по: количеству углерода, микроструктуре, способу выплавки, способу раскисления, назначению, качеству. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей. Маркировка, физико-механические свойства и область

применения	углеродистых	сталей:	а) обыкновенного	качества;
б) качественных;	в) высококачественных. Область применения углеродистых
сталей.

Легированные стали. Классификация и маркировка легированных сталей. Область применения легированных сталей. Влияние легирующих элементов на свойства легированных сталей.

Стали и сплавы специального назначения: коррозионностойкие, жаропрочные, жаростойкие, инструментальные, электротехнические, шарикоподшипниковые, рессоропружинные, арматурные; штамповые. Химический состав, маркировка, основные свойства и классификация специальных сталей и сплавов.

Чугунная часть диаграммы железоуглеродистых сплавов. Чугуны, их свойства и область применения. Классификация серых чугунов в зависимости от формы графитовых включений и структуры металлической основы. Правила маркировки чугунов. Структура, свойства и назначение белого, серого, ковкого

8

и высокопрочного чугуна. Влияние углерода и примесей на свойства чугунов. Процесс графитизации, факторы, способствующие графитизации.

Микроструктурный анализ углеродистых сталей и чугунов.

Тема 5. Основы технологии термической обработки материалов

Термическая и обработка материалов. Основные виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка, отпуск. Разновидности отжига, закалки и отпуска. Назначение и режимы различных видов термообработки. Структурнофазовые превращения в сталях при равновесном нагреве и охлаждении. Изотермические превращения аустенита. Мартенситное превращение. Влияние вида термообработки на структуру и свойства стали. Выбор температурного режима термообработки. Термическая обработка легированных сталей и сплавов. Термомеханическая обработка сталей. Виды брака при термической обработке.

Поверхностное упрочнение металлов и сплавов. Химико-термическая обработка материалов, её физическая сущность и назначение.

Виды химико-термической обработки:

а) цементация: назначение; способы цементации; технология и оборудование; механизм образования цементитного слоя, его структура и свойства; термическая обработка после цементации;

б) азотирование: назначение, способы азотирования; механизм образования азотированного слоя и его свойства; преимущества и недостатки; стали, поверхностные слои которых подвергают азотированию;

в) цианирование: назначение; цианирование в жидких, газовых и твёрдых средах; технология и оборудование; механизм образования цементитного слоя, его структура и свойства; термическая обработка после цементации;

г) диффузионная металлизация: назначение и технология диффузионной металлизации (алитирование, хромирование, силицирование, борирование).

Поверхностная закалка. Лазерная термическая и химико-термическая обработка.

Тема 6. Цветные металлы и их сплавы

Общая характеристика цветных металлов и сплавов, наиболее широко используемых в технике.

Медь и сплавы на её основе, их структура, свойства и область применения. Классификация медных сплавов: бронзы, латуни. Литейные и деформируемые сплавы. Маркировка сплавов на основе меди. Влияние легирующих элементов и примесей на свойства медных сплавов.

Алюминий и сплавы на его основе, их структура, свойства и область применения. Литейные и деформируемые алюминиевые сплавы. Сплавы, упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. Маркировка алюминиевых сплавов.

Магниевые и титановые сплавы. Классификация и маркировка. Основные свойства магниевых и титановых сплавов. Область применения магниевых и титановых сплавов.

9

Тема 7. Вспомогательные и неметаллические материалы

Основные принципы упрочнения материалов. Композиционные материалы, область их применения. Классификация композиционных материалов: по природе компонентов, по геометрии наполнителя, по схеме расположения наполнителя. Железобетон как один из представителей композиционных материалов, его свойства и область применения. Особенности армирования элементов железобетонных конструкций.

Пластмассы. Общая характеристика пластмасс, классификация и назначение. Полимеры, их молекулярная структура, основные свойства и классификация. Термопластичные и термореактивные пластмассы. Их основные свойства.

Резины, их общая характеристика, классификация и назначение. Состав резиновых смесей, свойства резин, влияние условий эксплуатации на свойства резин.

Вспомогательные материалы. Лакокрасочные и смазочные материалы. Состав, свойства, классификация, область применения. Клеящие материалы. Состав, свойства, классификация.

Тема 8. Поведение материалов в особых условиях. Коррозия металлических материалов и её виды. Защита металлов и сплавов от коррозии

Коррозия металлов, её виды и физическая сущность. Химическая коррозия и её физическая сущность. Электрохимическая коррозия, особенности её развития и физическая сущность. Коррозионная стойкость металлов. Виды коррозионных разрушений. Межкристаллитная коррозия и методы борьбы с ней. Коррозионная агрессивность окружающей среды.

Основные способы защиты металлов от коррозии.

Поведение материалов в особых условиях. Жаростойкость и способы её повышения. Жаропрочность и способы её повышения. Явление ползучести. Термическая усталость материалов. Работа материалов в условиях низких температур. Явление хладноломкости.

Стали и сплавы с особыми физико-механическими свойствами. Коррозионностойкие стали. Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы. Магнитные стали и сплавы. Электротехнические стали и сплавы. Сплавы с малым температурным коэффициентом линейного расширения. Сплавы для упругих элементов.

РАЗДЕЛ II. Технология материалов

Тема 9. Основы технологии производства металлов

Производство чугуна. Исходные материалы для производства чугуна и их подготовка к плавке. Металлургический процесс производства чугуна. Доменный процесс производства. Технологические параметры доменного процесса.

Производство стали. Кислородно-конвертерное производство стали. Мартеновское производство стали. Производство стали в электропечах и индукци-

10

онных печах. Основные технологические параметры процессов производства стали. Качество стали. Способы повышения качества сталей.

Производство цветных металлов. Производство меди. Производство алюминия. Производство магния. Производство титана.

Тема 10. Основы технологии литейного производства

Общая характеристика технологии литейного производства. Условия кристаллизации металлов и сплавов. Строение металлического слитка. Влияние условий кристаллизации на структуру и свойства металлов и сплавов. Литейные свойства сплавов: жидкотекучесть, усадка, ликвация и газовая пористость.

Технологические основы литейного производства. Получение заготовок специальными способами литья. Основные способы литья: а) литьё в песчаные формы; б) специальные способы литья: в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, в кокили; в) литьё с применением внешнего воздействия: под давлением, вакуумным всасыванием, центробежное; г) литьё с непрерывным процессом формообразования: непрерывное и полунепрерывное, электрошлаковое. Получение отливок в песчаных смесях: формовочные материалы, модельная оснастка, технологии формовки. Получение отливок методом направленной кристаллизации. Основы конструирования литых деталей.

Тема 11. Основы технологии обработки металлов давлением

Механизм пластической деформации при обработке давлением. Влияние различных факторов на пластичность и сопротивление деформации металлов. Горячая и холодная обработка давлением.

Основные виды обработки материалов давлением: прокатка; волочение; прессование; ковка; объёмная и листовая штамповка. Общая характеристика технологических процессов, основная продукция.

Тема 12. Основы технологии получения неразъёмных соединений

Сварка, её общая характеристика, физическая сущность и назначение. Фи- зико-химические основы получения сварного соединения. Сварка плавлением. Сварка давлением. Особенности технологических процессов сварки давлением и плавлением. Основные виды сварки: ручная электродуговая, автоматическая дуговая под флюсом и в защитных газах, электрошлаковая, лазерная. Термомеханические методы сварки: контактная, конденсаторная, диффузионная. Виды сварных швов. Выбор типа электрода и его марки. Выбор режимов сварки: силы сварочного тока, скорости перемещения электрода вдоль сварного шва; длины электрической дуги, диаметра электрода, условий проведения сварки. Выбор сварочного оборудования. Структура сварного шва.

Специальные термические процессы: резка, наплавка, напыление. Прочность сварных швов и оценка их качества с помощью разрушающих и неразрушающих методов контроля качества.

Пайка металлов, общая характеристика, физическая сущность и назначение. Технология пайки. Дефекты сварных и паяных соединений. Огневая резка

11

металлов, её общая характеристика, физическая сущность и условия проведения.

Тема 13. Основы технологии обработки материалов резанием

Процесс обработки материалов резанием: общая характеристика, кинематические и геометрические параметры процесса резания. Инструментальные материалы.

Сущность и схемы основные видов обработки материалов резанием: точения, сверления, фрезерования, строгания, долбления; шлифования, хонингования. Краткая характеристика основных видов обработки материалов резанием, применяемый режущий инструмент. Конструкция и геометрические параметры режущих инструментов. Технологические режимы обработки резанием: глубина резания, скорости резания, подача. Силовые факторы, действующие на режущий инструмент и заготовку при обработке резанием.

Физико-химические и механические основы процесса резания: деформирование и разрушение материала, тепловые процессы в зоне резания, электрические явления, износ режущего инструмента, наростообразование и способы борьбы с ним, колебания технологической системы «станок – приспособление – инструмент – деталь» и способы борьбы с ними. Обрабатываемость конструкционных материалов резанием. Применение технологических сред при обработке материалов резанием. Металлорежущие станки, параметры их работы.

Электрофизические и электрохимические методы обработки поверхностей заготовок.

12

Задания к контрольной работе №1

Задание 01

А) Вычертить диаграмму состояния сплавов системы «свинец Pb – олово Sn» (рис. П.5). Указать основные линии, точки, а также структурно-фазовый состав всех областей диаграммы. Для сплава, содержащего 50% олова Sn, построить кривую охлаждения и описать происходящие при охлаждении фазовые превращения. Для данного сплава определить количественное соотношение структурно-фазовых составляющих и их состав при температуре 200ºC и схематично изобразить его структуру.

Б) Вычертить диаграмму состояния сплавов системы «Fe-Fe3C» (рис. П.7). Указать основные линии, точки и структурно-фазовый состав всех областей диаграммы. Для сплава, содержащего 4,3% углерода C, построить кривую охлаждения и описать происходящие при охлаждении структурно-фазовые превращения. Схематично изобразить и описать структуру заданного сплава.

В) Для деталей, работающих в слабых коррозионных средах, используется сталь 20Х13. Расшифровать состав и объяснить причину введения хрома в эту сталь. Назначить и обосновать виды и режимы термической обработки для данной стали, описать её структуру после термообработки.

Г) Назначить марку алюминиевой бронзы для изготовления мелких ответственных деталей (втулок, фланцев и т. д.). Расшифровать состав, описать структуру и механические свойства, используя диаграмму состояния сплавов системы «медь Cu – алюминий Al» (рис. П.2).

Д) Выбрать технологические режимы — скорость резания V, подачу S, частоту вращения шпинделя nшп для чистового точения заготовки из стали 20 диаметром Ø100 на токарном станке.

Задание 02

А) Вычертить диаграмму состояния сплавов системы «цинк Zn – олово Sn» (рис. П.6). Указать основные линии, точки, а также структурно-фазовый состав всех областей диаграммы. Для сплава, содержащего 40% цинка Zn, построить кривую охлаждения и описать происходящие при охлаждении фазовые превращения. Для данного сплава определить количественное соотношение структурно-фазовых составляющих и их состав при температуре 250ºC и схематично изобразить его структуру.

Б) Вычертить диаграмму состояния сплавов системы «Fe-Fe3C» (рис. П.7). Указать основные линии, точки и структурно-фазовый состав всех областей диаграммы. Для сплава, содержащего 0,2% углерода C, построить кривую охлаждения и описать происходящие при охлаждении структурно-фазовые превращения. Схематично изобразить и описать структуру заданного сплава.

В) Для реализации своего служебного назначения некоторые детали машин должны иметь твёрдый износостойкий поверхностный слой при вязкой сердцевине. Для их изготовления выбрана сталь 15ХФ. Расшифровать состав, определить группу стали по назначению и объяснить влияние легирования на свойства данной стали. Назначить и обосновать виды и режимы термической и химико-термической обработки. Описать структуру и свойства стали после термической обработки.

Г) Назначить коррозионностойкую сталь для работы в средах средней агрессивности. Указать состав стали, необходимую термическую обработку и получаемую структуру. Объяснить физическую природу коррозионной устойчивости материала и роль каждого легирующего элемента.

13

Д) Выбрать технологические режимы — скорость резания V, подачу S, частоту вращения шпинделя nшп для чернового точения заготовки из стали 45 диаметром Ø50 на токарном станке.

Задание 03

А) Вычертить диаграмму состояния сплавов системы «медь Cu – серебро Ag» (рис. П.1). Указать основные линии, точки, а также структурно-фазовый состав всех областей диаграммы. Для сплава, содержащего 40% серебра Ag, построить кривую охлаждения и описать происходящие при охлаждении фазовые превращения, определить количественное соотношение структурно-фазовых составляющих и их состав при температуре 900ºC. Схематично изобразить и описать структуру заданного сплава.

Б) Вычертить диаграмму состояния сплавов системы «Fe-Fe3C» (рис. П.7). Указать основные линии, точки и структурно-фазовый состав всех областей диаграммы. Для сплава, содержащего 3,0% углерода C, построить кривую охлаждения и описать происходящие при охлаждении структурно-фазовые превращения. Схематично изобразить и описать структуру заданного сплава.

В) Для изготовления котлов используется сталь 12Х1МФ. Расшифровать состав и определить группу стали по назначению. Назначить и обосновать режимы термической обработки, описать получаемую структуру.

Г) Назначить марку латуни коррозионноустойчивой в морской воде. Расшифровать её состав и описать структуру, используя диаграмму состояния сплавов системы «медь Cu – цинк Zn». Указать способ упрочнения латуни выбранной марки.

Д) Выбрать технологические режимы — скорость резания V, подачу S, частоту вращения шпинделя nшп для чистового фрезерования заготовки из стали 20 торцевой фрезой диаметра Ø100 на вертикально-фрезерном станке.

Задание 04

А) Вычертить диаграмму состояния сплавов системы «алюминий Al – медь Cu» (рис. П.2). Указать основные линии, точки, а также структурно-фазовый состав всех областей диаграммы. Для сплава, содержащего 40% меди Cu, построить кривую охлаждения и описать происходящие при охлаждении фазовые превращения, определить количественное соотношение структурно-фазовых составляющих и их состав при температуре 550ºC. Схематично изобразить и описать структуру заданного сплава.

Б) Вычертить диаграмму состояния сплавов системы «Fe-Fe3C» (рис. П.7). Указать основные линии, точки и структурно-фазовый состав всех областей диаграммы. Для сплава, содержащего 0,4% углерода C, построить кривую охлаждения и описать происходящие при охлаждении структурно-фазовые превращения. Схематично изобразить и описать структуру заданного сплава.

В) Для изготовления турбин используется сталь 45Х13Н7Г7В2М. Расшифровать состав и определить группу стали по назначению. Назначить и обосновать режимы термической обработки, описать получаемую при термообработке структуру.

Г) Назначить коррозионностойкую сталь для работы в слабоагрессивных средах (водные растворы солей и т. п.). Указать химический состав стали, необходимую термическую обработку и описать получаемую при термообработке структуру.

Д) Выбрать технологические режимы — скорость резания V, подачу S, частоту вращения шпинделя nшп для чернового точения заготовки из бронзового сплава Бр.ОФ10-1 диаметром Ø100 на токарном станке.

14

Задание 05

А) Вычертить диаграмму состояния сплавов системы «алюминий Al – кремний Si» (рис. П.3). Указать основные линии, точки, а также структурно-фазовый состав всех областей диаграммы. Для сплава, содержащего 70% кремния Si, построить кривую охлаждения и описать происходящие при охлаждении превращения. Для данного сплава определить количественное соотношение структурно-фазовых составляющих и их состав при температуре 1000ºC. Схематично изобразить и описать структуру заданного сплава.

Б) Вычертить диаграмму состояния сплавов системы «Fe-Fe3C» (рис. П.7). Указать основные линии, точки и структурно-фазовый состав всех областей диаграммы. Для сплава, содержащего 0,6% углерода C, построить кривую охлаждения и описать происходящие при охлаждении структурно-фазовые превращения. Схематично изобразить и описать структуру заданного сплава.

В) Для изготовления трубопроводов пароперегревателей используется сталь 09Х14Н16В (ЭИ694). Указать состав и назначение стали, обосновать режимы термической обработки, описать получаемую при термообработке структуру.

Г) Назначить термическую обработку (температуру закалки, охлаждающую среду, температуру отпуска) при изготовлении напильников из стали У13. Описать сущность происходящих превращений, структуру и твёрдость стали после термообработки.

Д) Выбрать технологические режимы — скорость резания V, подачу S, частоту вращения шпинделя nшп для чистового точения заготовки из стали 40Х диаметром Ø100 на токарном станке.

Задание 06

А) Вычертить диаграмму состояния сплавов системы «свинец Pb – сурьма Sb» (рис. П.4). Указать основные линии, точки, а также структурно-фазовый состав всех областей диаграммы. Для сплава, содержащего 50% сурьмы Sb, построить кривую охлаждения и описать происходящие при охлаждении фазовые превращения. Для данного сплава определить количественное соотношение структурно-фазовых составляющих и их состав при температуре 300ºC. Схематично изобразить и описать структуру заданного сплава.

Б) Вычертить диаграмму состояния сплавов системы «Fe-Fe3C» (рис. П.7). Указать основные линии, точки и структурно-фазовый состав всех областей диаграммы. Для сплава, содержащего 1,0% углерода C, построить кривую охлаждения и описать происходящие при охлаждении структурно-фазовые превращения. Схематично изобразить и описать структуру заданного сплава.

В) Для изготовления деталей, работающих в активных коррозионных средах, выбрана сталь 08Х18Н12Т. Указать состав и объяснить причины введения легирующих элементов в эту сталь. Назначить и обосновать режимы термической обработки для данной стали.

Г) Требуется подвергнуть улучшению изделия из стали 45. Назначить режимы термической обработки, описать сущность происходящих явлений, структуру стали в результате термообработки.

Д) Выбрать технологические режимы — скорость резания V, подачу S, частоту вращения шпинделя nшп для сверления заготовки из стали 20 сверлом диаметра Ø10 на сверлильном станке.

15

Задание 07

А) Вычертить диаграмму состояния сплавов системы «медь Cu – серебро Ag» (рис. П.1). Указать основные линии, точки, а также структурно-фазовый состав всех областей диаграммы. Для сплава, содержащего 80% серебра Ag, построить кривую охлаждения и описать происходящие при охлаждении фазовые превращения. Для заданного сплава определить количественное соотношение структурно-фазовых составляющих и их состав при температуре 800ºC. Схематично изобразить и описать структуру заданного сплава.

Б) Вычертить диаграмму состояния сплавов системы «Fe-Fe3C» (рис. П.7). Указать основные линии, точки и структурно-фазовый состав всех областей диаграммы. Для сплава, содержащего 1,2% углерода C, построить кривую охлаждения и описать происходящие при охлаждении структурно-фазовые превращения. Схематично изобразить и описать структуру заданного сплава.

В) Для изготовления корпуса атомного реактора выбрана хромоникелевая коррозионностойкая сталь аустенитного класса. Рекомендовать марку такой стали, указать её состав.

Г) На изделиях из стали 15 требуется получить слой высокой твёрдости. Сделать обоснованный выбор способа химико-термической обработки, описать его технологию и структуру материала после окончательной термической обработки.

Д) Выбрать технологические режимы — скорость резания V, подачу S, частоту вращения шпинделя nшп для рассверливания отверстия в заготовке из стали 40Х с диаметра Ø20 до диаметра Ø30 на сверлильном станке.

Задание 08

А) Вычертить диаграмму состояния сплавов системы «цинк Zn – олово Sn» (рис. П.6). Указать основные линии, точки, а также структурно-фазовый состав всех областей диаграммы. Для сплава, содержащего 80% цинка Zn, построить кривую охлаждения и описать происходящие при охлаждении фазовые превращения. Для заданного сплава определить количественное соотношение структурно-фазовых составляющих и их состав при температуре 300ºC. Схематично изобразить и описать структуру заданного сплава.

Б) Вычертить диаграмму состояния сплавов системы «Fe-Fe3C» (рис. П.7). Указать основные линии, точки и структурно-фазовый состав всех областей диаграммы. Указать сплавы эвтектоидного и эвтектического состава. Для заданных сплавов построить кривые охлаждения и описать происходящие при охлаждении структурно-фазовые превращения. Схематично изобразить и описать структуры заданных сплавов.

В) Для изготовления деталей, работающих в контакте с крепкими кислотами, выбрана сталь 15Х28. Указать состав стали, объяснить причину введения хрома и обосновать выбор этой стали для данных условий эксплуатации.

Г) Для изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания, работающих при температурах 200 – 250ºC, используется сплав АЛ1. Расшифровать состав, описать режимы упрочняющей термической обработки и кратко объяснить причину упрочнения.

Д) Выбрать технологические режимы — скорость резания V, подачу S, частоту вращения шпинделя nшп для чистового точения резьбы М48×3 в заготовке из стали 40, диаметром Ø100 на токарном станке.