Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

3699 ргр материаловедение

.pdf
Скачиваний:
79
Добавлен:
15.03.2016
Размер:
1.06 Mб
Скачать

3699

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Строительные, дорожные машины и технология машиностроения»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Методические указания к выполнению расчетно-графическойработы по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов»

для студентов специальности 23.05.03 (190300) Подвижной состав железных дорог очной и заочной форм обучения

Составитель: Ж.В. Самохвалова

Самара

2015

1

УДК 621.7

Материаловедение : методические указания к выполнениюрасчетно-графическойработы по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» для студентов специальности 23.05.03 (190300) Подвижной состав железных дорог очной и заочной форм обучения / Ж.В. Самохвалова. – Самара : СамГУПС, 2015.20 с.

Методические указания содержат общие теоретические сведения, требования к содержанию и оформлению пояснительной записки, варианты заданий и пример выполнения расчетно-графическойработы. В приложениях представлен вспомогательный графический справочный материал. Предназначены для студентов СамГУПС очной и заочной формы обучения по специальности «Подвижной состав железных дорог»

Утверждены на заседании кафедры «Строительные, дорожные машины и технология машиностроения» 29.02.2015 г., протокол № 6.

Печатаются по решению редакционно-издательскогосовета университета.

Составитель: Самохвалова Жанна Владимировна

Рецензенты: доцент кафедры «Механика и инженерная графика» СамГУПС М.С. Жарков; к.т.н., доцент кафедры СДМиТМ В.А. Кожевников

Под редакцией составителей

Подписано в печать 30.06.2015. Формат 60х90 1/16. Усл. печ. л. 1,25. Заказ 112.

Самарский государственный университет путей сообщения, 2015

2

Введение

Материаловедение – наука о взаимосвязи строения, структуры материалов с их составом, физическими, химическими, технологическими и эксплуатационными свойствами. Разнообразие свойств материалов является главным фактором, предопределяющим их широкое применение в технике. Материалы обладают отличающимися друг от друга свойствами, причем каждое зависит от особенностей внутреннего строения материала. Основные свойства материалов можно подразделить на физические, механические, технологические и эксплуатационные. От физических и механических свойств зависят технологические и эксплуатационные свойства материалов.Технико-экономическаяэффективность применения материала является функцией многих показателей, таких как себестоимость, дефицитность, долговечность, безопасность жизнедеятельности, ремонтопригодность и др.

В результате выполнения расчетно-графическойработы у обучающего формируются профессиональные компетенцииПК-12иПК-21.Для этого он должен

знать: современные способы получения материалов и изделий из них с заданным уровнем эксплуатационных свойств; свойства современных материалов; методы выбора материалов; основы производства материалов и деталей машин; производство неразъемных соединений; сварочное производство; способы обработки поверхностей деталей;

уметь: эффективно использовать материалы при техническом обслуживании и ремонте подвижного состава; подбирать необходимые материалы и их свойства для проектируемых деталей машин;

владеть: методами оценки свойств конструкционных материалов, способами подбора материалов для проектируемых деталей машин и подвижного состава; методами производства деталей подвижного состава и машин.

СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙРАБОТЫ

Структура пояснительной записки расчетно-графическойработы:

-титульный лист (оформляется согласно Приложению А);

-содержание;

-основная часть (текст, графики и схемы);

-список использованных источников (библиографический список).

Содержание включает введение, наименование всех разделов, подразделов, пунктов (если они имеют наименование) и заключение с указанием номеров страниц, с которых начинаются эти элементырасчетно-графическойработы.

Основная часть должна содержать развернутые ответы на три задания расчетнографической работы, согласно номеру варианта. Номер варианта заданий назначает преподаватель.

3

При определении температур различных видов термообработки используются диаграмма состояния сплавов «железо–цементит»(Приложение Б) и Приложение В.

Правила оформления расчетно-графическойработы

Страницы текста пояснительной записки расчетно-графическойработы и включенные в неё иллюстрации, таблицы и распечатки с компьютера должны соответствовать формату А4. Допускается представлять иллюстрации, таблицы и распечатки на листах формата A3.

Текст пояснительной записки должен быть выполнен рукописным способом или с применением принтера (через полтора интервала, номер шрифта 12 или 14) на одной стороне листа белой бумаги. Текст следует печатать, соблюдая следующие размеры полей: левое – не менее 30 мм, правое – не менее 10 мм, верхнее – не менее 20 мм, нижнее – не менее 20 мм.

Все вопросы по металлам базируются на диаграммах состояний сплавов. Поэтому прежде чем приступить к ответам на вопросы, необходимо изучить строение и свойства металлов, основы теории сплавов; разобраться в понятиях: критическая точка, фаза, структурная составляющая; изучить принципы построения и особенности диаграмм состояний всех типов; усвоить все фазовые и структурные превращения, происходящие при нагреве и охлаждении сплавов. Отвечая на вопросы, следует приводить соответствующие схемы или графики. Вопросы требуют приведения ряда цифровых данных, которые имеются в ГОСТ, справочниках и учебной литературе.

Отвечая на вопрос задания № 1, необходимо:

начертить в масштабе диаграмму состояния «железо–углерод»(Приложение Б, рисунок Б1);

обозначить линии диаграммы;

в каждой области диаграммы указать структуры, образующиеся в сплавах данной системы при определенных температурах.

На оси концентрации углерода необходимо найти точку с процентным содержанием углерода, которое указано в задании. Через эту точку провести вертикальную линию, пересекающую все основные линии диаграммы. Полученные точки пересечения с основными линиями диаграммы являются критическими точками, а соответствующие им температуры – критическими температурами сплава (для чугунов таких температур три: t1, t2, t3; для сталей –t1, t2, t3, t4, t5, t6; температураt5, t6 – только для сплавов с содержанием С = 0,16…0,5 %);

Следует описать структурные и фазовые превращения в критических точках и на участках между ними при медленном охлаждении сплава с заданным содержанием углерода.

По правилу фаз определить число степеней свободы в каждой критической точке сплава и построить кривую охлаждения сплава.

4

Правило фаз (закон Гиббса) показывает, происходит ли процесс при постоянной температуре или в интервале температур и указывает, какое число фаз может одновременно существовать в системе. Правило фаз выражается уравнением

С = К + 2 – Ф,

где С – число степеней свободы, К – число компонентов внешних факторов (температура и давление); Ф – число фаз, находящихся в равновесии при рассматриваемых условиях.

При нормальных условиях давление оказывает незначительное влияние на фазовое равновесие сплавов в жидком и твердом состояниях, поэтому рассматривается только один внешний фактор – температура. Тогда уравнение примет вид:

С = К + 1 – Ф.

Число степеней свободы может быть только целым, не отрицательным, поэтому К – Ф + 1 ≥ 0. Если число степеней свободы равно нулю (С = 0), это означает, что превращения в рассматриваемой критической точке происходят при постоянной температуре. Процессы протекают в интервале температур, если С = 1 или С = 2.

Для заданного сплава при указанной температуре определить соотношение фаз, применяя правило отрезков (рычага). Применение правила рычага сводится к определению массовой концентрациикакой-либофазы при заданной температуре в двухфазной области диаграммы состояния. Для этого нужно через эту заданную точку провести горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями, ограничивающими область этих фаз на диаграмме. Чтобы найти массовую концентрацию фазы нужно разделить длину отрезка коноды, противолежащего данной фазе, на общую длину коноды.

Для доэвтектоидной стали с содержанием углерода 0,4 % при температуре 700 ºС, в котором имеются структурные составляющие феррит и перлит, провести горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими области 100 % фазы перлита и 100 % фазы феррита; опустив перпендикуляры из точек пересечения с основными линиями на ось концентрации, устанавливаем концентрацию углерода в полученных точках и по трем точкам (заданной и проекции точек на ось концентраций) рассчитывают соотношения фаз (Ф + П = 100 % ).

Определяя соотношение фаз для доэвтектического белого чугуна с содержанием 2,5 % углерода при температуре 900 ºС, в котором имеются структурные составляющие – аустенит, цементит вторичный и ледебурит, следует сначала выявить фазы, из которых состоит сплав при данных условиях (аустенит и цементит), и далее определить их количество в процентах. При этом важно учесть, что перлит и ледебурит являются механическими смесями фаз (перлит = феррит + цементит; ледебурит = аустенит + цементит; при температурах ниже 727 ºС ледебурит состоит из перлита и цементита или, в конечном итоге, из феррита и цементита). При заданной температуре фазовый состав сплава А + Ц = 100 %.

Охарактеризовать заданный сплав.

5

Сплавы с содержанием углерода 0,02…2,14 % называются сталями, а сплавы с содержанием углерода 2,14…6,67 % – чугунами. По фазовому составу стали подразделяются на доэвтектоидные (0,02 < C < 0,8 %); эвтектоидные (С = 0,8 %); заэвтектоидные (0,8 < C < 2,14 %). По фазовому составу чугуны подразделяются на доэвтектическе (2,14 < C < 4,3%); эвтектические (С = 4,3 %); заэвтектические

(4,3 < C < 6,67 %).

Отвечая на вопрос задания 2, необходимы знания маркировки и свойств легированных сталей, цветных сплавов, а также процессов термической и химикотермической обработки.

Отвечая на вопрос задания № 2, необходимо:

-по маркировке материала определить состав каждого сплава, его назначение. По марочнику сплавов [8], [9] определить исходные механические свойства материала;

-по наименованию изделия определить, какую функцию выполняет изделие, в каких условиях работает;

-выбрать марку сплава для указанного изделия, обосновать свой выбор;

-с использованием литературы [1], [2], [4], [5] выбрать технологию обработки изделия для получения конечных свойств;

-описать технологию обработки для получения конечных свойств и изменение структуры в процессе обработки;

-построить график термической обработки в координатах «температура–время»;

-объяснить, как определить конечные свойства в изделии.

Отвечая на вопрос задания № 3, необходимо знать превращения в сталях по диаграмме состояний «железо–цементит»,принципы классификации сталей и процессы, происходящие при нагреве и охлаждении аустенита, а также классификацию видов термических обработок и их назначение.

Отвечая на вопрос задания № 3, необходимо:

-по заданным конечным свойствам выбрать вид или виды термических обработок для изделия из стали указанной марки;

-определить содержание углерода в заданной стали (С, %);

-по содержанию углерода установить фазовый состав стали (доэвтектоидная, эвтектодная, заэвтектоидная);

-начертить фрагмент диаграммы состояний «железо–цементит»(стальной уголок)

инанести на его ординату процент углерода (С, %) заданной стали;

-в зависимости от фазового состава и вида термообработки: (отжиг, закалка, нормализация, отпуск) по диаграмме состояний «железо–цементит»(стальному уголку) определить температуру выбранной термической обработки (Приложение В, рисунок В1, рисунок В2);

-на ординате указать температуру нагрева для соответствующей термической обработки (выбрать среду охлаждения);

6

-построить график термической обработки в координатах «температура –время».При этом время нагрева, выдержки и охлаждения можно назначать условно;

-необходимо указать цель термической или химико-термическойобработки, обосновать выбранные температуры нагрева, описать изменения структуры стали;

-указать структуру в исходном, промежуточном (в нагретом до оптимальной температуры) и конечном (охлажденном) состояниях;

-построить график термической обработки.

При необходимости применения поверхностной закалки или химико-термическойобработки следует изложить их сущность.

Задание № 1

Начертите диаграмму состояния «железо–углерод»,укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы и дайте им определения. Опишите структурные и фазовые превращения при медленном охлаждении сплава с заданным содержанием углерода, используя данные, приведенные в таблице 1.

Охарактеризуйте этот сплав, определите для него при заданной температуре (по правилу отрезков) состав фаз и их количество (процентное соотношение). По правилу фаз определите число степени свободы в каждой критической точке сплава и постройте кривую охлаждения сплава.

Таблица 1 – Данные для задания №1

Количество

Температура

 

Количество

Температура

варианта

углерода

Т, С

 

варианта

углерода

Т, С

 

С, %

 

 

 

С, %

 

 

 

 

 

 

 

 

1

6,6

800

 

19

3,0

800

 

 

 

 

 

 

 

2

6,4

1190

 

20

2,8

900

 

 

 

 

 

 

 

3

6,2

500

 

21

2,6

750

 

 

 

 

 

 

 

4

6,0

950

 

22

2,4

350

 

 

 

 

 

 

 

5

5,8

1200

 

23

1,6

800

 

 

 

 

 

 

 

6

5,6

750

 

24

1,5

600

 

 

 

 

 

 

 

7

5,4

400

 

25

1,4

400

 

 

 

 

 

 

 

8

5,2

500

 

26

1,3

200

 

 

 

 

 

 

 

9

5,0

830

 

27

1,2

900

 

 

 

 

 

 

 

10

4,8

300

 

28

1,1

600

 

 

 

 

 

 

 

11

4,6

770

 

29

1,0

800

 

 

 

 

 

 

 

12

4,3

500

 

30

0,9

600

 

 

 

 

 

 

 

13

4,2

800

 

31

0,7

400

 

 

 

 

 

 

 

14

4,0

1100

 

32

0,6

200

 

 

 

 

 

 

 

15

3,8

500

 

33

0,5

750

 

 

 

 

 

 

 

16

3,6

200

 

34

0,3

700

 

 

 

 

 

 

 

17

3,4

900

 

35

0,2

500

 

 

 

 

 

 

 

18

3,2

300

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

Задание № 2

По своему варианту задания из предложенных марок сплавов (таблица 2) выберите марку сплава для указанного изделия. Обоснуйте свой выбор. Опишите технологию обработки и структуру для получения окончательных свойств, которые указаны в варианте. Опишите, как определяются эти свойства.

Таблица 2 – Данные для задания № 2

Изделие

Предлагаемые

Конечные свойства изделия

варианта

сплавы

 

 

 

 

 

 

1

Сверло

ШХ15СГ; 55С2; Р18

HRC 60

 

 

 

 

2

Штампы для горячей штамповки

60С2ХФА; 5ХНТ;

HRC 40…45

 

 

МЛ5

 

 

 

 

 

3

Для изготовления некоторых

СЧ 35; МЛ 5; Ст.2

σв = 260 МПа

 

деталей в авиастроении (литьём)

 

 

 

 

 

 

4

Шпиндели для станков

СЧ 35; Ст.6; ХГТ

σв = 590МПа; δ = 15%

 

 

 

 

5

Зубчатое колесо

Л90; 40Х; ВТ5

твёрдость зуба: HRC58…62

 

 

 

 

6

Детали, работающие в активных

АК2; 18ХГТ; 20Х13

Свойства после ТО:

 

коррозионных средах

 

σв = 1600 МПа, δ = 3%

 

 

 

 

7

Спиральные пружины

55СГ; Ст.1; ШХ15

Свойства после ТО:

 

 

 

σупр. = 880…1000 МПа

 

 

 

 

8

Зубило

В95; Сталь 30; У8

Свойства после ТО:

 

 

 

HRC 60…62

 

 

 

 

9

Износостойкие кулачки,

Ст.1; Л90; 38ХМЮА

Свойства после ТО:

 

эксцентрики, копиры

 

HV 750…1000

 

 

 

 

10

Полуоси

У12А; 30ХГС; Р18

Получить повышенную

 

 

 

прочность по всему сечению.

 

 

 

НВ 230…280

 

 

 

 

11

Блок двигателя

ШХ4; Сталь 20; ВЧ35

Свойства после изготовления:

 

 

 

σв = 620…650 МПа; δ = 8..10 %

 

 

 

 

12

Стяжные болты

Д16; СЧ18; Ст.6

Свойства после ТО: НВ210..250

 

 

 

 

13

Резьбовой калибр

МЛ5; БрОЦ 4-3;

Свойства после ТО:

 

 

9ХВГ

HRC 56…62

 

 

 

 

14

Шлицевой вал с поверхностным

12ВТ6; 5ХНТ;

Свойства после ТО: на

 

упрочнением шлицов

40ХГМА

поверхности HRC 50…55,

 

 

 

в сердцевине НВ 230…260

 

 

 

 

15

Тяжело нагруженные рессоры

15ХФ; АМг3;

Свойства после ТО:

 

 

60С2Х2

σв = 1600 МПа; НВ 350…450

 

 

 

 

16

Детали машин, которые

18ХГТ; Сталь 60; Д16

Свойства после ХТО и ТО: на

 

подверглись цементации

 

поверхности HRC 55…65; в

 

 

 

сердцевине σв = 1250 МПа

 

 

 

 

17

Корпусные детали задвижки

65Г; 15КП; 20ГЛ

Свойства после ТО:

 

(литые)

 

НВ 120…145; КСU = 50 Дж/см2

18

Дисковые фрезы

9ХС; СЧ35; АЛ4

Свойства после ТО:

 

 

 

НRС 63…65

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

Окончание таблицы 2

Изделие

Предлагаемые

Конечные свойства изделия

варианта

сплавы

 

 

 

 

 

 

19

Строительные сварные

У8А; Сталь60;

Свойства сплавов готовой

 

конструкции – мосты, газо- и

08Г2СФБ

продукции: σв = 550 МПа;

 

нефтепроводы, фермы, котлы и т.д.

 

δ = 28 %; Т50 =–70оС

20

Штампы (молотовые), работающие

5ХНСВ; 12Х18Н8;

Свойства сплавов после ТО:

 

в тяжёлых условиях

Ст.6

σв = 400 МПа; КСU = 500 кДж/м2

21

Режущий инструмент, работающий

У7; 30ХГС; Р18

Свойства инструмента после

 

при высоких скоростях

 

ТО: НRС 62…64

 

 

 

 

22

Крепёжные изделия (шпильки),

АЛ4; Сталь 15;

Свойства изделия после ТО:

 

работающие при температуре

30ХМА

σв = 930 Н/мм2

 

450…500 оС

 

 

23

Цементуемые детали, работающие

20ХН; У10А;

Свойства готового изделия:

 

на трение и требующие

Сталь 70

поверхность НRС 58…61,

 

повышенной прочности и вязкости

 

сердцевина НВ 220…250

 

сердцевины (поршневые пальцы)

 

 

 

 

 

 

24

Деревообрабатывающий

7ХФ; Сталь15; Л90

Свойства готового изделия:

 

инструмент с неглубокой

 

НRС 58…60

 

прокаливаемостью (ленточные

 

 

 

пилы)

 

 

 

 

 

 

25

Детали средних размеров,

Сталь 45; 15Г2СФ;

Свойства детали после ТО

 

несложной конфигурации

ВТ5

(улучшения): σв = 550 МПа;

 

(шпонки). Требование –

 

НRС 45…52

 

повышенная прочность и твёрдость

 

 

 

 

 

 

26

Рельсы

ЛЦ40Мц3Ж; 12Х13;

НВ 340…380

 

 

М75

 

 

 

 

 

27

Цельнокатанные колеса вагонов

АК2; 05КП; колесная

НВ 250

 

 

сталь марки 2

 

 

 

 

 

28

Клапаны тепловозных двигателей

ЛС59-1;4Х10С2М;

HRC 56

 

 

СТ3КП3

 

 

 

 

 

29

Шестерни тяговых зубчатых

ЛО70-1;45ХН;

НRC 26… 31

 

передач тепловозов, электровозов

Р9М4К8

 

 

 

 

 

30

Роликовые подшипники букс

БрА10Ж3Мц2;ШХ15;

НRC 62…65

 

 

30ХН3А

 

 

 

 

 

31

Крышки букс локомотивов и

АМг3; 30ХМА; КЧ

σв = 450 МПа; δ = 6 %

 

вагонов

45-6

 

 

 

 

 

32

Пружины тележек вагонов

Д16; 60С2; ЛМц59-1-1

НRC 47…50

 

 

 

 

33

Ось локомотива

ЛЦ40Мц1,5; ОС;

НВ160…170

 

 

ШХ6

 

 

 

 

 

34

Крестовины стрелочных переводов

110Г13Л,

Свойства после наклепа:

 

 

БрА10Ж3Мц2, Р6М5

НВ 600

 

 

 

 

35

Котлы цистерн

У12А, 09Г2,

Хорошая свариваемость

 

 

БрО5Ц5С5

 

 

 

 

 

 

 

9

 

Задание №3

По своему варианту задания (таблица 3) выберите режим термической обработки изделия из стали указанной марки стали для получения заданных свойств, обоснуйте свой выбор. Постройте график термической обработки изделия. На основе диаграммы состояний «железо–цементит»и построенного графика термической обработки опишите превращения, происходящие в структуре стали.

Таблица 3 – Данные для задания № 3

Изделие

Марка

Конечные свойства изделия

варианта

стали

 

 

 

 

 

 

1

Зубило

У7

HRC58

 

 

 

 

2

Матрица

У8

HRC60

 

 

 

 

3

Сверло

У9

HRC62

 

 

 

 

4

Метчик

У10

HRC63

 

 

 

 

5

Зенкер

У11

HRC64

 

 

 

 

6

Напильник

У12

HRC65

 

 

 

 

7

Резец

У13

HRC62

 

 

 

 

8

Шестерня

20

HRC60

 

 

 

 

9

Валик

15

HB5500

 

 

 

 

10

Ось

45

HB2500

 

 

 

 

11

Валик

25

HRC40

 

 

 

 

12

Болт

50

НВ2500

 

 

 

 

13

Вал

40

Закалка, отпуск

 

 

 

 

14

Резьбовой калибр

У12А

Закалка, отпуск

 

 

 

 

15

Шестерня

35

HRC 25

 

распределительного вала

 

 

 

 

 

 

16

Фланец

40

HRC 17…19

 

 

 

 

17

Болт стяжной

50

HRC 21

 

 

 

 

18

Втулка распорная

10

HRC 62

 

 

 

 

19

Корпус

20Л

σв = 390 МПа; измельчить зерно и снять внутренние

 

 

 

напряжения

 

 

 

 

20

Вал-шестерня

45

Термообработка – улучшение

 

 

 

 

21

Рессора

55

Подобрать необходимые термообработки

 

 

 

 

22

Шпиндель

30

Подобрать необходимые термообработки

 

 

 

 

23

Поковка

40

НВ = 187 МПа

 

 

 

 

24

Шток

50

Подобрать необходимые термообработки

 

 

 

 

25

Поковка

10

Подобрать необходимые термообработки для

 

 

 

измельчения зерна и снятия внутренних напряжений

 

 

 

 

26

Долото

У7

Подобрать необходимые термообработки

 

 

 

 

27

Развертка

У12А

Подобрать необходимые термообработки

 

 

 

 

28

Метчик ручной

У10

Подобрать необходимые термообработки

 

 

 

 

29

Деталь изготовлена литьем

20Л

Подобрать необходимые термообработки для

 

 

 

устранения химической неоднородности (ликвации)

 

 

 

 

 

 

 

10

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Калькулятор

Сервис бесплатной оценки стоимости работы

  1. Заполните заявку. Специалисты рассчитают стоимость вашей работы
  2. Расчет стоимости придет на почту и по СМС

Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с политикой конфиденциальности и на обработку персональных данных.

Номер вашей заявки

Прямо сейчас на почту придет автоматическое письмо-подтверждение с информацией о заявке.

Оформить еще одну заявку