методички / 4015 ЭИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Строительные, дорожные машины и технология машиностроения»

Методические указания к выполнению контрольной работы по разделу «Материаловедение» дисциплины «Материаловедение и технология конструкционных материалов» для обучающихся по специальности 23.05.03 «Подвижной состав железных дорог» заочной формы обучения

Составитель: Ж.В. Самохвалова

Самара

2016

1

УДК 621.7

Методические указания к выполнению контрольной работы по разделу «Материаловедение» дисциплины «Материаловедение и технология конструкционных материалов» для обучающихся по специальности 23.05.03 «Подвижной состав железных дорог» заочной формы обучения / составитель : Ж.В. Самохвалова. – Самара : СамГУПС, 2016. – 27 с.

В методических указаниях рассматриваются вопросы, связанные со строением, структурой и свойствами материалов, изучением диаграмм состояния сплавов. Представлены задания по изучению изменения структуры и свойств материалов при пластической деформации, проведении термической и химико-термической обработок.

Изложены задания по изучению маркировок, свойств и применению конструкционных и инструментальных материалов, в том числе применяемых на железнодорожном транспорте.

Рассмотрены вопросы по изучению цветных сплавов и неметаллических материалов (маркировка, свойства, применение). Даны справочные материалы.

Утверждены на заседании кафедры «Строительные, дорожные машины и технология машиностроения» 11 февраля 2016 г., протокол № 6.

Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

Составитель: Самохвалова Жанна Владимировна

Рецензенты: д.т.н., доцент, профессор кафедры «Вагоны» СамГУПС А.Н. Балалаев; к.т.н., доцент кафедры ПЛА и УКМ Самарского национального исследовательского университета им. С.П. Королева А.А. Шаров

Подписано в печать 20.05.2016. Формат 60×90 1/16. Усл. печ. л. 1,69. Заказ 81.

© Самарский государственный университет путей сообщения, 2016

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.

Технология – наука о способах воздействия на сырье, материалы, полуфабрикаты соответствующими орудиями производства. Прогрессивные технологии определяют практическое воплощение имеющихся идей оптимальными способами. Цикл технологического процесса включает множество операций с использованием основного и вспомогательного оборудования.

На всех этапах формообразования поверхностей деталей, конструкций происходят изменения структуры полуфабриката, заготовок. Их технические характеристики отличаются от свойств деталей сборочных единиц. Технико-экономическая эффективность применения материала является функцией многих показателей: себестоимость, дефицитность, долговечность, безопасность жизнедеятельности, ремонтопригодность и др.

Врезультате выполнения контрольной работы по дисциплине «Материаловедение

итехнология конструкционных материалов» у обучающего формируются профессиональные компетенции ПК-11 и ПК-21, в связи с которыми 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.

3

ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Строение материалов. Свойства материалов определяются их структурой. В твердых телах между частями возникают связи различного вида, поэтому металлы различают по атомно-кристаллическому строению, формирующемуся в процессе кристаллизации. Нужно четко представлять принципиальную разницу в строении кристаллических и аморфных тел; разобраться в форме элементарных ячеек пространственных кристаллических решеток; понять, чем объясняется анизотропия свойств кристаллов, в чем физический смысл полиморфных превращений, каково практическое значение полиморфизма, вызывающее изменение структуры и свойств металла в процессе нагрева и охлаждения изделий (термическая обработка).

Важным является понятие существенного отличия реального строения кристаллической решетки от идеального, т.е. без структурных несовершенств. Расположение атомов, приближающее кристаллическую решетку к идеальной, встречается лишь в отдельных частях образующихся кристаллитов, а также в монокристаллах. Различные несовершенства строения решетки: линейные искажения (дислокации), пустые места (вакансии), включения чужеродных атомов примесей (точечные нарушения), а также их скопления – в значительной мере определяют уровень практически достигаемой прочности. Уменьшением количества дислокации можно приблизить строение кристалла к идеальному и соответственно достичь значения прочности, приближающейся к теоретической. Тонкой очисткой металла от примесей способами химического разложения, электрошлакового переплава, зонной плавки, вакуумирования сокращают число дислокаций и вакансий, добиваются повышения прочности кристаллов железа в 75 раз (до 15000 МПа). Повышения прочности в 5…7 раз можно добиться и увеличением количества несовершенств, применяя наклеп, закалку, легирование, химико-термическую обработку.

Кристаллизация металлов и сплавов. При изучении процессов расплавления и кристаллизации металлов необходимо уяснить причины, приводящие к фазовым превращениям: стремление к наименьшему запасу свободной энергии, образование центров кристаллизации. Процесс перехода жидкого расплавленного металла в твердое состояние называется первичной кристаллизацией. Такие превращения имеют место в технологиях получения заготовок (деталей) литьем. Дендритная структура, возникающая при кристаллизации, является следствием неравномерности роста кристаллитов в разных направлениях. Зональная ликвация в слитках характеризует неоднородность химического состава по зонам. Количество примесей и серы в сплавах на основе железа в слитках повышается от поверхности к центральной части, затвердевающей в последнюю очередь. Вторичная кристаллизация в охлаждаемом сплаве имеет место в металлах из одного и того же химического элемента в виде нескольких простых веществ: железо, титан, кобальт, олово и др. Превращения вызываются изменением типа кристаллических решеток, их определяют как аллотропические. Аллотропические превращения сопровождаются поглощением тепла (нагрев) и выделением тепла (охлаждение). Способность твердых тел

4

существовать в нескольких кристаллических структурах относят к полиморфизму. Переход одной модификации в другую называют полиморфным превращением. К вторичной кристаллизации относят также процесс образования и роста новых зерен внутри затвердевшего сплава, вызванный снижением растворимости компонентов сплав.

При построении кривых охлаждения на основе диаграмм состояния сплавов следует разобраться в физическом смысле температурных остановок, выражаемых площадками и перегибами на кривых, и сформулировать понятие критическая точка.

Структура металлов и сплавов. Физико-химическое взаимодействие компонентов изучаемых систем определяет структуру, а значит, и свойства сплава. Взаимодействие в системе приводит к образованию жидких растворов, твердых растворов, химических соединений. Физически однородная часть вещества сплава, отделенная от других частей границей раздела, называется фазой. Химическое соединение обладает особой, отличной от исходных компонентов кристаллической решеткой. Твердые растворы (внедрения, замещения) – фазы, один из компонентов которых сохраняет свою кристаллическую решетку (растворитель), а атомы второго компонента располагаются в решетке первого. Образование твердых растворов внедрения сопровождается деформацией кристаллической решетки основного вещества, периоды ее изменяются. Периоды кристаллической решетки в растворах замещения могут увеличиваться или уменьшаться в зависимости от соотношения размеров атомных радиусов растворителя и растворенного компонента. Зная механические свойства отдельных фаз и структурных составляющих сплавов, например, высокую пластичность чистых металлов и повышенную хрупкость механической смеси компонентов и особенно химических соединений, можно прогнозировать поведение сплава того или иного состава в изделиях.

Диаграммы состояния сплавов. Графическое изображение соотношений между параметрами состояния физико-химической системы (температурой, давлением и др.) и

ее составом. По диаграмме состояния можно установить, например, температуры начала

иконца фазовых превращений, химический состав фаз, находящихся в термодинамическом равновесии, соотношение фаз при заданной температуре для конкретного сплава Умение анализировать диаграммы состояний сплавов, пользуясь правилом фаз и правилом отрезков, позволяет выявить особенности формирования структуры сплава, определить технологические характеристики: температуру заливки при получении отливок, жидкотекучесть, химическую неоднородность, возможность и условия обработки давлением, режим термической обработки. Важно установить отличие в образовании эвтектики и эвтектоида. Эвтектика – тонкая смесь твердых веществ одновременно закристаллизовавшихся из расплава при температуре ниже температуры плавления отдельных компонентов. В системе «железо–цементит» эвтектикой является ледебурит. Эвтектоид – структурная составляющая металлических сплавов, образующаяся из твердых фаз и имеющая более тонкое, дисперсное внутреннее строение (перлит). Изучая диаграмму состояний «железо–цементит» устанавливают долю каждой фазы или структурной составляющей в сплаве, строят кривые нагревания и охлаждения сплава заданного состава, ус-

5

танавливают условия образования различных фаз, определяют их химический состав, а также технологические параметры процессов формообразования твердых тел (литье, деформирование, сварка, обрабатываемость резанием).

Важно ознакомиться с диаграммами состояний сплавов: медь–цинк (латуни), медь– олово (оловянная бронза), алюминий–кремний (силумины), алюминий–цинк и алюми- ний–медь (дюралюмины), с тем, чтобы выяснить взаимозависимость структуры и свойств тех или иных промышленных сплавов. По правилу Курнакова устанавливают связь между составом, строением и свойствами сплавов, что определяет различия между техническим железом, сталями и белыми чугунами.

Пластическая деформация, наклеп и рекристаллизация. Слитки, полученные при кристаллизации сплавов, превращают в сортамент на металлургических заводах или в изделия на машиностроительных заводах обработкой металлов давлением в холодном или горячем состояниях. Силовое воздействие приводит к деформации кристаллов и тел. Начальной стадией деформирования является упругая деформация, которая переходит в пластическую. Упругая деформация обратима и исчезает после снятия нагрузки. Пластическая деформация сопровождается сдвигом одной части кристалла относительно другой, зерна дробятся, в металлах возникают внутренние напряжения, форма заготовок изменяется. Ковка, прокат и другие способы формообразования поверхностей давлением приводят к структурной неоднородности изделий, поэтому наблюдаются изменения физических и механических свойств деталей (заготовок) в разных направлениях (анизотропия).

Силовое деформирование приводит к увеличению плотности дислокации, возрастают твердость и прочность, а свойства, характеризующие способность к пластической деформации и вязкость снижаются. Повышение прочности и снижение пластичности в результате пластической деформации называется наклепом, или нагартовкой. Сплавы интенсивно наклепываются в начальной стадии деформировании. Предельное состояние наклепанного металла характеризуется σв = σΤ, δ = 0. Дальнейшее деформирование металла вызывает раскрытие трещин и разрушение изделий. Наклепанные сплавы состоят из разноосных кристаллитов, металл становится анизотропным. Наклеп увеличивает плотность, электросопротивление, прочность, снижает пластичность, теплопроводность. Деформационное упрочнение является фундаментальной особенностью пластической деформации.

Перевести неравновесную анизотропную структуру наклепанного металла в равновесную можно нагревом. Такая термообработка называется рекристаллизационным отжигом. В процессе нагрева (для сталей) до температуры порядка 300 °С происходит процесс возврата, а выше 450 °С – процесс рекристаллизации. Возврат обеспечивает частичное снижение напряжений и уменьшает искажение кристаллических решеток зерен, несколько повышает пластичность и вязкость сплава. Процесс образования равноосных зерен вместо деформированных после холодной обработки давлением называется

первичной рекристаллизацией.

6

Вторичная (собирательная) рекристаллизация возникает при дальнейшем повы-

шении температуры нагрева и вызывает образование крупнозернистой структуры. Рекристаллизация является диффузионным процессом.

Термическая обработка – один из главных способов влияния на строение, а следовательно, и на свойства сплавов. Вопросы термической обработки стали и чугуна можно понять, лишь зная структурные превращения, происходящие при нагреве и охлаждении железоуглеродистых сплавов с различным содержанием углерода.

Необходимо помнить, какие превращения претерпевают феррит, перлит и ледебурит при нагреве, и какое влияние оказывает скорость охлаждения на превращения аустенита (диаграмма Fe–Fe3C). Вопросы превращения аустенита при охлаждении лучше ра-

зобрать, используя диаграмму изотермического распада аустенита, и на ее основе уяс-

нить, при каких режимах охлаждения образуются перлит, сорбит, троостит и мартенсит, что называется критической скоростью закалки, в чем различие между мартенситом и другими структурами. Следует иметь в виду, что чем ниже содержание углерода в стали, тем больше критическая скорость закалки, вследствие чего низкоуглеродистые стали (менее 0,3 % С) в реально достигаемых условиях охлаждения не воспринимают закалку на мартенсит.

Нужно усвоить, что образование мартенсита при охлаждении со скоростью V > Vкрит сопровождается перестройкой гранецентрированной кристаллической решетки в объемноцентрированную. Последняя деформируется из-за пересыщения углеродом и приобретает тетрагональность. Процесс образования мартенсита бездиффузионный, происходит в интервале температур начала Мн (от +280 до +100 °С) и конца Мк (от +200 до –110 °С) мартенситного превращения тем полнее, чем ниже значения температур в этом интервале. Интервал мартенситного превращения при увеличении содержания углерода смещается в область более низких температур.

Часть аустенита в высокоуглеродистых сталях, находясь между образовавшимися пластинами мартенсита в состоянии всестороннего сжатия, не превращается в мартенсит. Его называют остаточным аустенитом, присутствие его приводит к снижению твердости сталей. Уменьшить количество остаточного аустенита можно охлаждением в средах с отрицательными температурами. Такая обработка называется обработкой холодом. Иногда ее проводят как дополнительную, сразу после закалки (быстрорежущая сталь Р18).

Закалкой деталей даже в самых сильных охладителях невозможно добиться одинаковой скорости охлаждения поверхности и сердцевины. Закаливаемость и прокаливаемость – важнейшие характеристики сталей, упрочняемых термической обработкой.

Закаливаемость определяется твердостью поверхности закаленной детали и зависит, главным образом, от содержания углерода в стали.

Прокаливаемость – способность стали закаливаться (образовывать мартенситные слои) на определенную глубину. Прокаливаемость оценивают критическим диаметром заготовки круглого сечения, в которой формируется мартенситная и полумартенситная зоны после закалки с максимальными значениями твердости (HB max).

7

Закаленные на мартенсит или М+К+Аост стали подвергают нагреву для снятия напряжений и превращения мартенсита в троостит или сорбит в доэвтектоидных сталях. Структурные превращения обуславливаются различными параметрами нагрева (низкий, средний, высокий) при отпуске уменьшают степень тетрагональности кристаллической решетки мартенсита и создают условия для перехода аустенита остаточного в мартенсит и для распада мартенсита на ферритно-цементитную смесь. Под улучшением стали понимают закалку доэвтектоидных сталей на мартенсит с последующим высоким отпуском, обеспечивающим формирование структуры сорбит. Стали, подвергаемые термической обработке на структуру сорбит, называют улучшаемыми (БСт5, ВСт5, 35, 40, 45, 50, 55, 40Х, 50Х, 38ХНЗМА и др.).

Рассматривая влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей, необходимо изучить особенности вновь появляющихся фаз: легированного феррита, легированного аустенита и специальных карбидов. Нужно иметь в виду, что принципы термической обработки для легированных сталей остаются неизменными. Однако изменяются температуры нагрева, критические скорости закалки, глубина прокаливаемости в результате различных видов термической обработки. Надо помнить, что разные легирующие элементы и разная степень легирования придают сталям структуру и специфические свойства после термической обработки.

Конструкционные материалы

Знание физической сущности механических свойств металлов и сплавов, способов образования их структуры, числовых технических характеристик, а также методов их определения исключительно важно для специалистов. При оценки механических свойств материалов ориентируются на несколько групп критериев. Первая группа включает химический состав и свойства, определяемые на образцах стандартных размеров без учета эксплуатационных факторов, они характеризуют марки сплавов по заключению производителей сплавов. Вторая группа – критерии конструкционной прочности (надеж-

ность, долговечность, сопротивление усталости, износостойкость, коррозионная стойкость и др.) – комплекс технических характеристик, учитывающих изменение структуры и свойств в процессе получения изделий из сплавов на машиностроительных заводах, учитывающих возможные структурно-фазовые превращения в сплаве готовой продукции при воздействии тех или иных нагрузок и внешнего состояния сред.

В процессе выплавки сплава формируются структуры, включающие мелкие зерна, разноосные зерна и крупные равноосные зерна. Сплавы таких полизернистых структур отличаются минимальными значениями физико-технических характеристик (первый уровень). Показатели их существенно изменяются и повышаются в процессе пластического деформирования (второй уровень). Условия эксплуатации при воздействии знакопеременных нагрузок вызывают явления усталости. Кинетика процесса деструкции приводит к изменениям последнего уровня свойств (третьего). Студентам следует уяснить,

8

как возникает и развивается явление усталости сплавов, так как оно является одной из основных причин выхода из строя осей, рельсов, пружин, рам тележек и т. д.

Чугун – сплав железа с углеродом (обычно 3…4,55 %), с некоторым количеством марганца (до 1,5 %), кремния (до 4,5 %), серы (не более 0,08 %), фосфора (до 1,8 %), иногда и других элементов. Углерод в чугуне может находиться в связанном состоянии в виде карбида железа Fe3C (белый чугун) либо в свободном состоянии в виде графита (серый, ковкий, высокопрочный чугуны). По назначению и химическому составу чугуны подразделяются на передельные, из которых выплавляют стали, литейные для получения фасонного литья и специальные. Качество чугунных отливок повышают модифици-

рованием (добавляют магний) и легированием.

В марках чугунов указывают предел прочности σв и относительное удлинение δ. По структуре чугуны отличаются размером, формой, количеством графитовых включений, а также фазовым составом металлической основы. По фазовому составу чугуны могут быть ферритными, ферритно-перлитными и перлитными. Образование той или иной структуры металлической основы зависит от содержания Si, C, модифицирующих добавок, толщины стенок отливки, которая определяет продолжительность охлаждения жидкого металла в форме.

Серые чугуны маркируются СЧ 25 (ГОСТ 1412), здесь СЧ – серый чугун, 25 – предел прочности σв при растяжении 25 кгс/мм2 (250 МПа). Известно, что для чугунов

4σв.раст = 2σв.изг = σв.сж, т. е. чугун лучше работает на сжатие. В марке ковких чугунов (ГОСТ 1215) добавляется показатель относительного удлинения: КЧ 45-7, КЧ – ковкий;

45 – предел прочности при растяжении σв = 45 кгс/мм2 (450 МПа), 7 – относительное удлинение δ , %. Высокопрочные чугуны маркируются ВЧ 80 (ГОСТ 7293), здесь

80 – σв = 80 кгс/мм2 (800 МПа).

Термическую обработку отливок (деталей) из чугуна проводят для снятия внутренних напряжений, снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием. Различают отжиг для снятия внутренних напряжений, смягчающий отжиг, графитизирующий и нормализацию. Для повышения твердости отливок используют закалку, в том числе изотермическую и поверхностную. Рассматривая термическую обработку чугуна белого, необходимо уяснить, что разложение цементита при нагревании сопровождается выделением углерода в свободном состоянии (графитизирующий отжиг), формирующаяся структура отличается по свойствам от начальной: НВ, σв снижаются, а непластичный сплав превращается в сплав с величиной δ > 2 %.

Сталь – деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2 %) и др. элементами. Сталь получают переплавлением чугуна передельного в кислородно-конверторных печах или электропечах. Известно более 10 000 марок сталей, отличающихся содержанием основных компонентов (Fe, C) и постоянных примесей: марганца (до 1 %), кремния (до 0,4 %) и вредных примесей S и P. Уровень достигаемой твердости, пластичности, прочности сплавов определяется содержанием углерода. Вредные примеси влияют на хладноломкость, красноломкость сталей, к ним также относятся газовые включения, та-

9

кие как кислород, азот, водород. Они снижают пластичность и ускоряют хрупкое разрушение изделий.

Изучая маркировку сталей, необходимо знать, что по характеру застывания метал-

ла в изложнице различают спокойную сталь, полуспокойную сталь и кипящую сталь.

Раскислением с помощью добавок в жидкий металл силикомарганца, силикокальция, алюминия снижают избыток кислорода в стали.

Конструкционные стали с некоторой условностью подразделяют на стали нормальной (средней) прочности (σв менее 1000 МПа), повышенной прочности (σв до 1500 МПа) и высокопрочные (σв более 1500 МПа). Суперпрочная сталь имеет предел прочности 3000 МПа, пластичностьеёсоставляет14 %.

Химический состав и механические свойства сталей устанавливают по ГОСТ с требованиями по общим техническим условиям, с требованиями к заготовкам, с требованиями к готовой продукции и др. Установлены единые условные обозначения (из букв и цифр) химического состава сталей. Первые две цифры в марке конструкционных сталей показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента для конструкционных сталей и в десятых долях процента для инструментальных и нержавеющих сталей. Буквами обозначаются легирующие элементы, а цифра справа от обозначения легирующего элемента – их среднее содержание. В стали марки 3Х13 содержится 0,3 % углерода и 13 % хрома. Сталь марки 30Л (ГОСТ 977) предназначается для получения изделий литьем.

По назначению стали делятся на следующие основные группы: обыкновенного качества Ст3 (ГОСТ 380), конструкционные углеродистые качественные цементуемые и улучшаемые 20, 40 (ГОСТ 1050), рельсовая углеродистая 76 для железнодорожных путей промышленных предприятий (ГОСТ Р 51045), сталь ОС (ГОСТ 4728) для заготовок осевых подвижного состава железных дорог, углерода содержит 0,42…0,50 %, колеса

ГОСТ указать принципы их классификации и привести необходимые примеры. Поверхностная прочность деталей может быть повышена непосредственно терми-

ческой обработкой (ТО), деформационно-термической высокотемпературной (ВТМО) и

низкотемпературной (НТМО), поверхностной закалкой, химико-термической обработкой, диффузионной металлизацией и другими методами.

Деформационно-термическая обработка включает силовое деформирование (ковка, прокатка) детали, нагретой до температур выше АС3 с выдержкой в нагретом состоянии для получения особой мартенситной структуры после охлаждения, обеспечивает повышение механических характеристик в сравнении с традиционной термической обработкой.

Поверхностная закалка с нагревом токами высокой частоты зубчатых колес, шеек коленчатых валов, валиков приводит к формированию износостойкой мартенситной

10