Файл: Программа курса, лабораторный практикум и контрольные задания для студентовзаочников полной и.pdf

1
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
В. Г. Шморгун, О.В. Слаутин
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ПРОГРАММА КУРСА, ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ И
КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ СТУДЕНТОВ-ЗАОЧНИКОВ ПОЛНОЙ И
УСКОРЕННОЙ (НА БАЗЕ СПО) ФОРМ ОБУЧЕНИЯ
Учебно-методическое пособие
Волгоград
2018

2
УДК 620.22 (075)
Р е ц е н з е н т ы:
НВЦ «СВАРКА», технический директор канд. техн. наук В.М. Букин;
АО «ВНИКТИнефтехимоборудование», младший научный сотрудник лаборатории коррозии канд. техн. наук О.С. Киселев;
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Волгоградского государственного технического университета
Шморгун В.Г.
Материаловедение: учеб-метод пособие / В.Г. Шморгун, О.В.
Слаутин; ВолгГТУ. – Волгоград, 2018. – 96 с.
ISBN
В учебно-методическом пособии кратко освещены теоретические вопросы, порядок выполнения лабораторных работ и представлены задания для выполнения контрольных работ по курсу «Материаловедение».
Предназначено для студентов заочной полной и ускоренной форм обучения (на ба- зе СПО) направлений: 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и произ- водств», 15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», 23.03.01 «Технология транспортных процессов», 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов», 27.03.04 «Управление в техниче- ских системах».
Ил. 48. Табл. 5. Библиогр.: 7 назв.
ISBN © Волгоградский государственный технический университет, 2018

3
ВВЕДЕНИЕ
Совершенствование производства, выпуск современных разнообраз- ных машиностроительных конструкций, специальных приборов, машин и различной аппаратуры невозможны без дальнейшего развития производст- ва и изыскания новых материалов, как металлических, так и неметалличе- ских.
Материаловедение является одной из первых инженерных дисцип- лин, основы которой широко используются при курсовом и дипломном проектировании, а также в практической деятельности инженера- машиностроителя.
Прогресс в области машиностроения тесно связан с созданием и ос- воением новых, наиболее экономичных материалов, обладающих самыми разнообразными механическими и физико-химическими свойствами.
Свойства материала определяются его внутренним строением, которое, в свою очередь, зависит от состава и характера предварительной обработки.
В курсе "Материаловедение" изучаются физические основы этих связей.

4
ПРОГРАММА И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ЧАСТЬ I. МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Строение металлов. Металловедение как наука о свойствах ме-
таллов и сплавов. Типы связи в твердых телах. Атомно-
кристаллическое строение металлов. Процесс кристаллизации.
Рассмотрите типы химической связи в твердых телах, основное внима- ние обратите на особый тип металлической связи, который обусловливает отличительные свойства металлов: высокую электропроводность и тепло- проводность, высокую пластичность и металлический блеск. Металличе- ские тела характеризуются кристаллическим строением. Однако свойства реальных кристаллов определяются известными несовершенствами кри- сталлического строения. В связи с этим необходимо разобраться в видах несовершенств и особенно в строении дислокаций (линейных несовер- шенств), причинах их легкого перемещения в кристаллической решетке и влияния на механические свойства. Термодинамические причины фазовых превращений являются одним из частных случаев общего закона природы: стремления любой системы к состоянию с наименьшим запасом энергии (в данном случае свободной энергии). Уясните теоретические основы процес- са кристаллизации, состоящего из двух элементарных процессов: зарожде- ния и роста кристаллов, и влияния на эти параметры степени переохлаж- дения. В процессе кристаллизации при формировании структуры литого металла решающее значение имеет реальная среда, а также возможность искусственного воздействия на строение путем модифицирования.
В о п р о с ы д л я с а м о п р о в е р к и
1. В чем сущность металлического, ионного и ковалентного типов связи? 2. Каковы характерные свойства металлов и чем они определяются?
3. Что такое элементарная ячейка? 4. Что такое полиморфизм? 5. Что такое параметр кристаллической решетки, плотность упаковки и координацион- ное число? 6. Что такое мозаичная структура? 7. Виды дислокаций и их строение. 8. Каковы термодинамические условия фазового превращения?
9. Каковы параметры процесса кристаллизации? 10. Что такое переохлаж- дение? 11. Какова связь между величиной зерна, скоростью зарождения, скоростью роста кристаллов и степенью переохлаждения? 12. Формы кри- сталлов и влияние реальной среды на процесс кристаллизации. Образова- ние дендритной структуры. 13. В чем сущность модифицирования?

5
Теория сплавов
Сплавы, виды взаимодействия компонентов в твердом состоянии. Диа-
граммы состояния для случаев полной нерастворимости, неограниченной и
ограниченной растворимости компонентов в твердом виде, а также для
случая образования устойчивого химического соединения.
Необходимо отчетливо представлять строение металлов и сплавов в твердом состоянии. Уясните, что такое твердый раствор, химическое (метал- лическое) соединение, механическая смесь. Наглядное представление о со- стоянии любого сплава в зависимости от его состава и температуры дают диаграммы состояния. Нужно усвоить методику построения диаграмм со- стояния для различных случаев взаимодействия компонентов в твердом со- стоянии. При изучении диаграмм состояния нужно уметь применять правило отрезков (для определения доли каждой фазы или структурной составляю- щей в сплаве), правило фаз (для построения кривых нагревания и охлажде- ния), определить химический состав фаз. С помощью правил Курнакова нужно уметь установить связь между составом, строением и свойствами сплава.
В о п р о с ы д л я с а м о п р о в е р к и
1. Что такое компонент, фаза, физико-химическая система, число сте- пеней свободы? 2. Приведите объяснение твердого раствора, механиче- ской смеси, химического (металлического) соединения. 3. Что представ- ляют собой твердые растворы замещения и внедрения? 4. Как строятся диаграммы состояния? 5. Объясните принцип построения кривых нагрева- ния и охлаждения с помощью правила фаз. 6. 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 из жидкой. То же, для числа степеней свободы, равного нулю. 7. Начертите и проанализируйте диаграмму состояния: для случая образования непрерывного ряда твердых растворов; для случая пол- ной нерастворимости компонентов в твердом состоянии; для случая обра- зования эвтектики, состоящей из ограниченных твердых растворов. 8. Ка- ким образом определяются состав фаз и их количественное соотношение?
9. В чем различие между эвтектоидным и эвтектическим превращениями?
10. Виды ликвации и методы их устранения. 11. Правила Курнакова.
Пластическая деформация и механические свойства металлов

6
Напряжения и деформация. Явление наклепа. Стандартные механи-
ческие свойства: твердость; характеристики, определяемые при рас-
тяжении; ударная вязкость; сопротивление усталости.
Рассмотрите физическую природу деформации и разрушения. Вни- мание уделите механизму пластической деформации, ее влиянию на мик- ро- и субмикроструктуру, а также на плотность дислокаций. Уясните связь между основными характеристиками, строением и механическими свойст- вами. Разберитесь в сущности явления наклепа и его практическом ис- пользовании. Изучите основные методы исследования механических свойств металлов и физический смысл определяемых при разных методах испытания характеристик. Свойства, полученные на гладких образцах, не совпадают со свойствами готового изделия, выполненного из предвари- тельно испытанного материала. Это связано с наличием в реальных дета- лях отверстий, надрезов и других концентраторов напряжений, а также с различием в характере напряженного состояния образца и детали. Отсюда вытекает важность испытаний образцов с надрезами, позволяющих при- близить условия испытаний к условиям эксплуатации материала и полу- чить результаты, характеризующие конструкционную прочность металла.
В о п р о с ы д ля с а м о п р о в е р к и
1. В чем различие между упругой и пластической деформациями? 2.
Как изменяется строение металла в процессе пластического деформирова- ния? 3. Как изменяется плотность дислокаций при пластической деформа- ции? 4. Как влияют дислокации на прочность металла? 5. Почему наблю- дается огромное различие теоретической и практической прочности? 6.
Как влияет изменение строения на свойства деформированного металла?
7. В чем сущность явления наклепа и какое он имеет практическое исполь- зование? 8. Какие характеристики механических свойств определяются при испытании на растяжение? 9. Что такое твердость? 10. Какие методы определения твердости вы знаете? 11. Что такое ударная вязкость? 12. Что такое порог хладноломкости? 13. Что такое конструкционная прочность?
14. От чего зависит и как определяется конструкционная прочность?
Влияние нагрева на структуру и свойства деформируемого металла
Необходимо знать сущность рекристаллизационных процессов: воз- врата, первичной рекристаллизации, собирательной (вторичной) рекристал- лизации, протекающих при нагреве деформированного металла. Уясните, как при этом изменяются механические, физико-химические свойства и размер зерна. Установите влияние состава сплава и степени пластической деформа-

7 ции на протекание рекристаллизационных процессов. Научитесь выбирать режим рекристаллизационного отжига. Уясните его практическое значе- ние, различие между холодной и горячей пластическими деформациями.
В о п р о с ы д л я с а м о п р о в е р к и
1. Как изменяются свойства деформированного металла при нагреве? 2.
В чем сущность процесса возврата? 3. Что такое полигонизация? 4. Сущность процессов первичной и вторичной рекристаллизации. 5. Как влияют состав сплава и степень пластической деформации на температуру рекристаллиза- ции? 6. Что такое критическая степень деформации? 7. В чем различие между холодной и горячей пластическими деформациями? 8. Как изменяются строение и свойства металла при горячей пластической деформации? 9.
Каково назначение рекристаллизационного отжига и как он осуществляет- ся?
Железо и его сплавы
Диаграмма состояния Fe – Fe
3
C. Классификация железоуглеродистых
сплавов. ГОСТы на металлы и сплавы. Фазы, образуемые легирующими эле-
ментами в сплавах Fe. Структурные классы легированных сталей. Чугуны.
Научитесь вычерчивать диаграмму состояния железо - цементит и опре- делять все фазы и структурные составляющие этой системы. С помощью правила фаз постройте кривые охлаждения (или нагревания) для любого сплава; разберитесь в классификации железоуглеродистых сплавов и усвой- те, что различие между тремя классами (техническое железо, сталь, чугун) не является формальным (по содержанию C). Разные классы сплавов принципи- ально различны по структуре и свойствам. Технические железоуглеродистые сплавы состоят не только из Fe и C, но и обязательно содержат постоянные примеси, попадающие в сплав в результате предыдущих операций при вы- плавке. Разберите диаграмму состояния железо - графит, которая по графи- ческому начертанию почти не отличается от диаграммы Fe – Fe
3
C, что об- легчает ее запоминание. Количественные изменения в положении линий диаграммы касаются смещения эвтектической и эвтектоидной линий в точ- ках S' и Е'. Качественное изменение заключается в замене в структуре во всех случаях цементита графитом. Изучите влияние легирующих элементов на критические точки Fe и стали и объясните, при каком сочетании углерода и соответствующего легирующего элемента могут быть получены легирован- ные стали ферритного, перлитного, аустенитного и ледебуритного классов.
Уясните влияние постоянных примесей на строение чугуна и разберитесь в

8 различии металлической основы серых чугунов разных классов. Запомните основные механические свойства и назначение чугунов различных классов, и их маркировку. Обратите внимание на способы получения ковких и высоко- прочных чугунов. Изучите физическую сущность процесса графитизации.
В о п р о с ы д л я с а м о п р о в е р к и
1. Что такое феррит, аустенит, перлит, цементит и ледебурит? 2. Какие превращения происходят в сплавах при температурах A
l,
А
2
, А
3
, A
4
, A
cm
? 3.
Постройте с помощью правила фаз кривую охлаждения для стали с 0,8% С и для чугуна с 4,3% С. 4. Каковы структура и свойства технического железа, стали и белого чугуна? 5. В каких условиях выделяется первичный, вторичный или третичный Fe
3
C? 6. Каково строение ледебурита при комнатной темпера- туре, немного выше эвтектоидной температуры 727° С и немного ниже эвтек- тической температуры 1147° С? 7. Как влияют легирующие элементы на по- ложение критических точек железа и стали? 8. Какие легирующие элементы являются карбидообразующими? 9. Какие легирующие элементы способству- ют графитизации? 10. Как влияют легирующие элементы на свойства феррита и аустенита? 11. Как классифицируют легированные стали по структуре в рав- новесном состоянии? 12. В чем отличие серого чугуна от белого? 13. Класси- фикация и маркировка серых чугунов. 14. Каковы структуры серых чугунов?
15. Как получают высокопрочный чугун? Его строение, свойства и назначение.
16. В чем различие в строении ковкого и модифицированного чугунов? 17.
Сравните механические свойства серого, ковкого и высокопрочного чугунов.
Теория термической обработки стали
Превращения в стали при нагреве. Превращения переохлажденного аусте-
нита. Мартенситное превращение и его особенности. Превращения аустенита
при непрерывном охлаждении. Превращения при отпуске закаленной стали.
Теория и практика термической обработки (ТО) стали - главные вопро- сы металловедения. Это один из основных способов влияния на строение, а следовательно, и на свойства сплавов. При изучении превращений переох- лажденного аустенита особое внимание обратите на диаграмму изотермиче- ского распада, устанавливающую связь между температурными условиями превращения, интенсивностью распада и строением продуктов превращения.
Разберитесь в механике и особенностях перлитного, промежуточного и мар- тенситного превращений, происходящих соответственно в верхней, средней и нижней температурных областях. Уясните строение и свойства перлита, сорбита, троостита, бейнита, мартенсита и особенно различие и сходство од-