Реферат: Методические рекомендации и контрольные задания для учащихся заочной формы обучения для специальности 2 36 07 01 «Машины и аппараты химических производств и предприятий строительных материалов»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«НОВОПОЛОЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ»


УТВЕРЖДАЮ

Директор НГПТ

______________ А.П.Ляхович

«____»______________ 2009 г.


Материаловедение и технология

материалов


методические рекомендации и контрольные задания для учащихся заочной формы обучения


для специальности 2 – 36 07 01

«Машины и аппараты химических производств и предприятий строительных материалов»


Новополоцк

2009

^ ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА


Программой дисциплины «Материаловедение и технология материалов» предусматривается изучение, и усвоение учащимися способов производства стали и чугуна; основ металловедения и термической обработки; промышлен­ного использования основных конструкционных и инструментальных материа­лов; основных строительных материалов и их производства.

Изучение дисциплины «Материаловедение и технология материалов» основывается на знаниях полученных учащимися по дисциплинам «Физика», «Химия», «Инженерная графика», «Стандартизация и качество продукции».

В результате изучения дисциплины учащиеся должны знать на уровне представления:

достижения науки в области производства конструкторских и инструментальных материалов;

область рационального использования различных материалов с учетом
экономических требований;

роль материалов в решении технических проблем, в снижении массы
машин, в повышении точности, надежности и работоспособности механизмов и
приборов;

- виды конструкционных и инструментальных материалов;

должны знать на уровне понимания:

состав, структуру, свойства и применение конструкционных и инструментальных материалов;

методы испытания металлов;

способы получения конструкционных и инструментальных материал­ов;

процессы, происходящие при кристаллизации и охлаждении железоуглеродистых сплавов;

сущность и назначение термической и химико-термической обработки
сталей;

классификацию, маркировку и область применения металлов и сплавов;

методы защиты металлов от коррозии;

область применения и способы получения строительных материалов и
изделий;

должны уметь:

определять основные характеристики материалов;

по диаграмме состояния сплава строить кривые охлаждения;

выбирать марку материала для различных деталей, в зависимости от
условий их работы;

расшифровать марки материалов, определять их состав;

назначать вид режим термообработки для конкретных деталей;

приводить схемы получения изделий из строительных материалов.



^ Тематический план


Раздел

Количество учебных часов

Время на самостоятельную работу учащегося

В том числе

Для дневной формы

Для заочной формы

На установочные занятия

На обзорные занятия

На лабораторно-практические занятия

Введение.

2

1




1




1

Раздел 1. Производство черных металлов.

8

2

1

1




6

Раздел 2. Основы металловедения.

76

21

1

12

8

55

Раздел 3. Прогрессивные материалы в машиностроении.

6

2

1

1




4

Раздел 4 . Неметаллические материалы.

6

2




2




4

Раздел 5. Строительные материалы.

38

10

1

7

2

28

Итого

136

38

4

24

10

98



Содержание программы и

Методические указания по изучению разделов и тем программы


Введение


Задачи предмета и его связь с другими предметами. Черные и цветные металлы, их роль в народном хозяйстве. Неметаллические материалы и применение. Краткая историческая справка. Вклад отечественных ученых в развитие «Материаловедения».

^ Методические указания

Изучение дисциплины начните с определения понятия «Материаловедение». Уясните, что изучение взаимосвязи состава, строения и свойств материалов позволяет определить области рационального использования различных материалов, создавать сплавы с заранее рассчитанными свойствами, получать сверхчистые металлы, создавать новые искусственно созданные материалы. Особое внимание обратите на перспективы развития металлургической промышленности, на внедрение новых прогрессивных материалов. Ознакомьтесь с историей развития материаловедения и запомните фамилии выдающихся ученых, внесших вклад в развитие этой науки.

Вопросы для самопроверки

1. Каково значение материаловедения как науки?

2. Значение материалов для современной промышленности.

3. Чем вызвано широкое применение в промышленности искусственных материалов.

4. Назовите основные этапы развития «материаловедения» как науки.

5. Назовите выдающихся ученых внесших вклад в развитие «материаловедения».


Раздел 1. Производство черных металлов.

Тема 1.1. Производство чугуна.


Исходные материалы для получе­ния чугуна. Железные руды. Подготовка руд к плавке. Топливо и флюсы в доменном производстве. Огнеупоры, понятие о шиите. Схема доменной пе­чи, ее устройство и работа. Основные процессы, протекающие в доменной печи.

Продукты доменного производст­ва. Основные технико-экономические показатели доменной печи.

Требования безопасности труда в доменном производстве и меры по ох­ране окружающей среды.

^ Методические указания

Изучение производства чугуна начните с исходных материалов. Разберите требования, которые к ним предъявляются. Нужно знать, какие выгоды дает обогащение руд и подготовка исходных материалов к плавке. Разберитесь в схеме доменной печи и в сущности получения чугуна. Запомните, что доменный процесс — это процесс восстановительный. В доменной печи происходит восстановле­ние железа из руды, а затем его науглероживание. Выпишите основные химиче­ские реакции получения чугуна и основные технико-экономические показатели работы доменной печи После изучения доменных процессов переходите к изучению продукции домен­ного производства — чугунов, шлака и газа. Особое внимание уделите чугунам как основному продукту. Выпишите в конспект, в каком количестве находится углерод и основные примеси в чугунах, и влияние основных примесей на свойства чугунов. Применение шлака и газа в промышленности.

^ Изучив тему, нужно уметь: 1) объяснять необходимость подготовки руды к плавке и интенсификации доменного процесса

Вопросы для самопроверки

1. Какие требования предъявляются к исходным материалам для про­изводства чугуна в доменной печи?

2. Укажите роль флюса и шлака в доменной печи.

3. Напишите основные химические реакции, протекающие в доменной печи.

4. Укажите основные технико-экономические показатели работы доменной печи. Где применяются шлаки и доменный газ?


Тема 1.2. Производство стали


Суть предела чугуна в сталь. Про­изводство стали в конвертерах. Мар­теновский способ получения стали. Сравнение кислородно-конвертерного способа с мартеновским. Выплавка стали в электропечах. Сравнение каче­ства стали, полученной в различных плавильных агрегатах.

Способы разливки стали. Достоин­ства непрерывной разливки. Стальной слиток. Прогрессивные методы полу­чения стали: вакуумный, электрошла­ковый, обработка жидкой стали. Ох­рана труда в металлургии.

^ Методические указания

В настоящее время сталь получают преимущественно путем передела чугуна. Основные способы получения стали: конвертерный, мартеновский, электроплавка. Процесс получения стали — это окислительный процесс. При любом способе получения стали происходит окисление примесей, содержащихся в чугуне. Окисли­телем является оксид железа (FeO), который растворяется в металле и в шлаке.

Изучая конвертерный способ получения стали, обратите внимание на конструк­тивные особенности конвертера при воздушном и кислородном дутье (воздух подается снизу, а кислород — через трубку сверху). При кислородном дутье почти все недостатки конвертерного способа практически устраняются. В кислородном конвертере можно получать качественные углеродистые и низколегированные стали.

В мартеновской печи высокая температура получается за счет сгорания топли­ва, теплота химических реакций имеет второстепенное значение. Выпишите основ­ные реакции, протекающие в мартеновской печи, уясните процессы раскисления и удаления фосфора и серы в основной печи. Нужно знать способы интенсифика­ции мартеновского процесса.

Процесс плавки высококачественной стали в электрических печах приобретает все большее значение в связи с тем, что постоянно расширяется ассортимент, увеличивается выпуск новых, наиболее экономичных и прогрессивных видов конструкционных материалов для машиностроения, приборостроения, строитель­ства и других областей промышленности.

Плавку в электрических печах можно производить как в воздушной среде, так и в вакууме. В вакуумных печах переплавляют стальные заготовки, выплавленные в конвертерах и мартеновских печах Заготовка (расходуемый электрод) является катодом, а слиток очищенною металла — анодом.

При вакуумной плавке и вакуумных переплавах жидкий металл наиболее полно очищается от газов. Этим способом получают жаропрочные стали и сплавы, стали с особыми физи­ко-химическими свойствами. Недостаток вакуумной плавки — сложность оборудо­вания и высокая стоимость выплавляемого металла. Значительно более дешевый способ повышения качества стали — электрошлаковый переплав, который можно производить в воздушной среде. Этим способом получают шарикоподшипниковые, инструментальные и другие стали.

Повысить качество стали можно также путем ее обработки в ковшах. Произво­дится вакуумная обработка в ковшах или обработка стали в ковшах синтетиче­скими шлаками, которые специально готовят в других печах. Если при вакуумной плавке и вакуумных переплавах сера практически не удаляется, при рафинировании синтетическими шлаками и электрошлаковом переплаве сера удаляется наиболее полно.

Выпишите в конспект влияние способа получения стали на ее качество. Разбе­рите, как влияет способ разливки на качество стали. Нужно знать разницу между кипящей и спокойной сталью и область применения кипящей стали. Наибольшее внимание уделите непрерывной разливке стали как наиболее прогрессивному способу, выпишите достоинства этого способа. Запомните, что способ непрерывной разливки широко применяется и в цветной металлургии.

Разберите строение стального слитка, возможные дефекты в нем и способ их предупреждения.

^ После изучения этой темы нужно уметь: 1) определять наиболее целесо­образный способ получения стали в зависимости от состава стали и ее назначе­ние; 2) объяснять влияние способа разливки на свойства стали и строение сталь­ного слитка; 3) объяснять влияние способа выплавки стали на ее качество; 4) объяснять, почему наиболее широкое развитие должны получать способы выплав­ки стали в кислородных конвертерах и в электрических печах.

Вопросы для самопроверки:

1. В чем отличие кислородного конвертера от конвертера, работающего на воздушном дутье? 3.Каково назначение регенераторов в марте­новской печи? 4.Каковы способы интенсификации мартеновского процесса? 5.Укажите свойства мартеновской кислой и основной стали и область их применения. 6.По схемам, имеющимся в учебниках, объясните устройство и работу дуговых электрических печей. 7.Сравните качество стали, получаемой в различных пла­вильных агрегатax. 8.Укажите технико-экономические показатели плавильных агрегатов. 9.В чем сущность обработки стали в ковшах? 10.В чем достоинства обработки стали синтетическими шлаками? 11.Какое имеет значение применение специальных способов получения стали? 12. Какие факторы определяет качество стали? 13.В чем сущность способа непрерывной разливки стали?


Раздел 2. Основы металловедения

Тема 2.1. Строение и кристаллизация металлов


Аморфные и кристаллические тела. Кристаллическое строение металлов. Элементарная кристаллическая решетка. Реальное строение металлов, кристаллизация металлов, кривые охлаждения. Анизотропия. Полимор­физм.

Методы исследования структуры металлов: макроскопический, микроскопический, рентгеноструктурный шал из. Методы неразрушающего контроля качества.

В настоящее время большинство деталей машин, приборов и аппаратов изго­товляют из металлов, поэтому изучение этого раздела нужно начать с атомно-кристаллического строения металлов. Уясните, какие кристаллические решетки наи­более часто встречаются среди металлов, сущность аллотропических превращений в металлах. Затем разберите дефекты кристаллического строения и процесс кристаллизации. Внешне металл никогда не имеет правильного кристаллического строения, так как процесс кристаллизации протекает путем зарождения центров кристаллизации и последующего их роста. Поэтому реальные металлы являются квазиизотропными веществами.

Выпишите в конспект и запомните, что свойства реальных металлов отличают­ся от идеальных, так как: 1) все реальные металлы являются поликристаллами;2)в кристаллическом строении имеется ряд дефектов (несовершенств). Разберите, какие виды несовершенств бывают в кристаллическом строении, а также на каких свойствах и как это отражается.

Уясните сущность и цель термического анализа, который используется при построении диаграмм состояния и изучении сплавов, так как дает возможность, определить критические точки, т.е. температуры, при которых в сплавах происхо­дят какие-либо превращения. Выпишите в конспект, что называется критической точкой, вычертите кривую охлаждения чистого железа, укажите на ней критиче­ские точки и запишите, какое превращение происходит в каждой критической точке.

Вопросы для самопроверки:

1. Какие кристаллические решетки наиболее часто встречаются среди металлов? 2.Какие имеются дефекты в атомно-кристаллическом строении металлов? 3.Почему свойства реальных металлов отличаются от идеальных? 4.Какая разница между кристаллом и крис­таллитом? 5. Какова цель термического анализа? 6.Какое значение имеет определение критических точек? 7.Укажите температуры аллотропических пре­вращений железа. 8.Объясните схему рентгеновского просвечивания металлов. 9.В чем сущность определения дефектов в металлах магнитным способом?


2.2. Свойства металлов и сплавов


Физические (цвет, плотность, тем­пература плавления, магнитные свой­ства) и химические (окисляемость, кислостойкость и др.) свойства металлов, широко применяемых в технике.

Механические свойства металлов и методы их определения: статические испытания на растяжение (характери­стики прочности, упругости и пла­стичности); определение твердости металлов по Бринеллю, Роквеллу и Викерсу. Ударная вязкость и методы ее определения.

Технологические свойства: обраба­тываемость резанием, свариваемость, прокаливаемость и литейные свойства.

^ Методические указания

При изучении каждого метода в конспект записывайте его достоинства, недо­статки и область применения.

Нужно совершенно точно знать обозначения и единицы СИ, в которых выра­жаются различные физические величины.

При изучении испытания на растяжение вычертите в конспекте диаграммы растяжения для пластичных и хрупких материалов и укажите характерные точки на них. Нужно знать, какие характеристики прочности и пластичности определя­ются при испытании на растяжение. Выпишите в конспект все формулировки (пределов упругости, пропорциональности, условного и физического пределов текучести, предела прочности). Не путайте предел текучести и площадку текуче­сти. Предел текучести — характеристика прочности материала, а площадка теку­чести — характеристика пластичности.

Способы определения твердости находят очень широкое применение, так как требуют специальных образцов, просты в выполнении и производительны. Выпи­шите в конспект область применения каждого способа, его достоинства и недо­статки. Зная числа твердости по Бринеллю, можно приблизительно судить и о прочности материала. У мягких материалов чем больше твердость, тем больше и прочность. Однако нужно обязательно иметь в виду, что прочность и твер­дость — это не одно и то же.

Определение ударной вязкости особенно важно для материалов, которые идут на изготовление деталей, работающих с ударными нагрузками. Выпишите в кон­спект факторы, которые влияют на ударную вязкость, практически не влияя на другие свойства (величину зерна, количество фосфора в стали и др.).

Изучая испытания на усталость, вычертите кривую усталости и запишите, что называется пределом выносливости. Нужно знать, что разрушение при перемен­ных нагрузках может произойти при напряжении меньше не только предела прочности, но и предела текучести. Выпишите факторы, влияющие на предел выносливости, так как, зная эти факторы, можно повысить предел выносливости, а значит увеличить срок службы деталей.

Вопросы для самоконтроля

1.Какие характеристики прочно­сти определяются при испытании на растяжение? З.То же, пластичности? 4.Как обозначается твердость по Бринеллю? Какова область применения этого способа? 5.В чем достоинства и недостатки способа Роквелла? 6.Какова область примене­ния способа Виккерса? 7.Как обозначается вязкость материала? Единицы вязко­сти. 8.Как обозначается предел выносливости? Какое практическое значение имеет его увеличение?


^ 2.3. Основные сведения о металлических сплавах.

Диаграммы состояния двойных сплавов


Понятие о сплаве, компоненте, фазе, системе. Диаграммы фазового равновесия. Кривые охлаждения. Ти­пы диаграммы состояния сплавов для случаев образования механической смеси, неограниченных и ограничен­ных твердых растворов компонентов и химического соединения компонен­тов, связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния.

^ Методические указания

Перед тем как приступить к изучению диаграмм состояния, повторите термиче­ский анализ, построение кривых нагрева и охлаждения на основе опытных данных. Критические точки, т.е. температуры, при которых происходят превращения в каждом сплаве, соединяют и получают критические линии, каждая точка кото­рых показывает, при какой температуре происходит данное превращение в спла­вах разной концентрации. Выпишите в конспект, что называется компонентом, фазой, системой, сплавом, а также что может быть фазой. Запомните, что сплав — это сложное тело.

Диаграммы состояния показывают состояние сплава данных компонентов при любой концентрации и при любой температуре. Запомните, что диаграммы строят при медленном охлаждении, поэтому структуры на диаграмме соответствуют равновесному состоянию. Разберите критические точки сплавов как температуры фазовых превращений и структуры, получающиеся после каждого превращения. В конспекте укажите структуры в каждой области диаграммы и запишите, что они собой представляют.

Изучая диаграмму состояния сплава, компоненты которого в твердом состоя­нии не растворяются друг в друге (свинец—сурьма, олово—цинк), прежде всего, четко уясните, что собой представляет эвтектика. Она образуется в результате того, что компоненты друг в друге не растворяются, и представляет собой очень тонкую механическую смесь двух фаз. Так как обе фазы кристаллизуются однов­ременно при одной и той же температуре, то отдельные кристаллы обеих фаз не успевают вырасти до значительных размеров и образуют настолько мелкую механическую смесь, что их практически разделить нельзя. Поэтому эвтектика обладает специфическими, только ей присущими свойствами, которые резко отличаются от свойств входящих в нее компонентов. Обратите внимание на то, что температура окончательного затвердевания сплавов, образующих эвтектику, от состава сплава не зависит и на диаграмме образование эвтектики характеризу­ется горизонтальной линией. Из правила отрезков (правила рычага) видно, что состав жидкого сплава при температуре окончательного затвердевания всегда одинаковый, значит, и состав эвтектики во всех сплавах один и тот же, количест­во же эвтектики в разных сплавах разное и также определяется по правилу отрезков. Запомните, какие сплавы называются эвтектическими, до- и заэвтектическими. Заканчивая изучение диаграммы, разберите ликвацию по плотности, в каких случаях она может возникнуть и меры ее предупреждения.

При изучении диаграмм состояния сплавов, обладающих неограниченной рас­творимостью как в жидком, так и в твердом состоянии, уясните и запишите, какие вещества называются твердым раствором и какие виды твердых растворов могут быть в сплавах. Запомните, что твердые растворы — это сложные, но однородные вещества, поэтому под микроскопом твердые растворы, подобно чистому металлу, представляют собой однородные кристаллические зерна. Обратите внимание на то, что в сплавах, образующих твердые растворы, в отличие от сплавов с эвтекти­кой температура и начала и конца затвердевания зависит от состава сплава и все сплавы затвердевают в интервале температур. Так как вещества обладают неограниченной растворимостью, то ни в одном сплаве не будет кристаллов свободных компонентов. А все сплавы данной системы однофазны и представляют собой твердый раствор. Разберите явление внутрикристаллической (дендритной ликвации), меры ее предупреждения и устранения.

Подавляющее большинство сплавов обладают ограниченной растворимостью в твердом состоянии, причем предел растворения уменьшается с уменьшением температуры (сплавы свинец—олово, медь—серебро, алюминий—медь).

В этих случаях эвтектика появляется только в тех сплавах, в которых концен­трация растворимого компонента меньше предела растворимости. Разбирая эту диаграмму, особое внимание обратите на процессы, протекающие в твердом состоянии. В сплавах, у которых концентрация растворимого компонента меньше предела растворимости, после окончательного затвердевания структура представ­ляет собой однородный твердый раствор. Уже в твердом состоянии в связи с уменьшением предела растворимости при понижении температуры из твердого раствора начинает выделяться вторая фаза. Например, в сплавах свинец—олово, содержащих менее 19,5% олова, в сплавах медь—серебро, содержащих менее 7% серебра, и в сплавах алюминий—медь, содержащих менее 5,67% меди, при охлаждении ниже кривой растворимости начинает образовываться вторая фаза и при комнатной температуре сплавы получаются двухфазными. Запомните, что процессы кристаллизации из твердого состояния происходят по тем же законам, что и из жидкого, т.е. путем зарождения центров кристаллизации и последующего их роста, поэтому для образования второй фазы охлаждение должно быть мед­ленным. Следует иметь в виду, что продукты вторичной кристаллизации всегда мельче, чем первичной. Запишите, что у сплавов, у которых есть превращения в твердом состоянии, можно менять структуру, а значит, и свойства путем нагрева и охлаждения с различной скоростью, т.е. путем термической обработки.

Изучая систему сплавов, образующих устойчивое химическое соединение (маг­ний—кальций, цинк—магний), запомните, что диаграммы состояния можно рас­сматривать как состоящие из двух самостоятельных диаграмм, у которых вторым компонентом является химическое соединение. Диаграмму можно рассматривать в общем виде.

Физические, механические и технологические свойства сплава зависят от его структуры. Поэтому нужно обязательно разобрать зависимость между диаграм­мой состояния сплава и его свойствами, установленную Н.С.Курнаковым и А.А.Бочваром (диаграммы состав—свойства).

^ После изучения этой темы нужно уметь:1) строить кривые охлаждения сплавов разной концентрации; 2) описывать превращения в различных сплавах при охлаждении или нагреве; 3) объяснять причины превращений в твердом состоянии в сплавах с ограниченной растворимостью; 4) объяснять, какое значе­ние имеет зависимость между диаграммами состояния и их свойствами; 5) указы­вать способ получения изделий из сплавов с эвтектикой и с твердым раствором.

^ Вопросы для самопроверки

1.Какое значение имеют диаграммы состояния? 2.Чем характерен эвтектиче­ский сплав? Какой сплав называется эвтектическим, до- и заэвтектическим? 3.Пользуясь правилом отрезков, определите, сколько сурьмы (или цинка) и эвтек­тики будет в сплаве Sb—Zn, содержащем 20% сурьмы (или цинка). 4.Нарисуйте схемы расположения атомов обоих компонентов в твердых растворах замещения и внедрения. 5.Начертите кривую охлаждения сплава, содержащего 30% меди и 70% никеля. 6.Объясните значение всех критических точек и линий на диаграм­ме состояния сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии. 7.Что называется ликвацией? 8.Почему в качестве конструкционных материалов наи­большее применение нашли сплавы, у которых есть фазовые превращения в твер­дом состоянии? 9.Какое практическое значение имеет зависимость между структу­рой сплава и его свойствами?

^ 2.4.Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов


Железо и его соединения с угле­родом. Упрощенная диаграмма «же­лезо-цементит», характерные линии, основные структуры ее областей. Пре­вращения из жидкого состояния в твердое. Превращения в твердом со­стоянии. Классификация железо­углеродистых сплавов. Формирование структуры сталей и чугунов. Влияние скорости охлаждения на структуру чугуна. Диаграмма состояния «железо-графит» структуры чугунов.

^ Методические указания

Превращения в структуре сталей чугунов при нагревании и охлаждении. Построение кривых нагревания и охлаждения.

Начинать изучение диаграммы железо—цементит можно только после того, как разобраны простые (двойные) диаграммы состояния. Повторите аллотропические превращения железа. Эта диаграмма должна быть хорошо усвоена, так как иначе невозможно понять сущность и различные виды термической обработки. Разбери­те все превращения, протекающие в железоуглеродистых сплавах при медленном охлаждении, и получающиеся при этом структуры, особенно превращения в твер­дом состоянии. В конспекте прежде всего вычертите диаграмму состояния желе­зо—цементит, укажите структуры во всех областях, разберите и запишите, чем характерны все критические точки и линии диаграммы, их температуры и содер­жание углерода. Запомните, что в результате вторичной кристаллизации по линии GS при охлаждении начинается превращение аустенита в феррит вследствие аллотропического превращения γ-железа в α-железо. Так как в феррите макси­мально растворяется 0,04% углерода (точка Р), то в аустените количество угле­рода все время увеличивается. Каждая точка линии GS показывает содержание углерода в аустените при данной температуре. Критические точки, образующие линию GS, принято обозначать при нагреве Ас3, а при охлаждении—Аr3. По линии ES при охлаждении из аустенита начинает выделяться вторичный цементит вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените при понижении температуры. Цементит содержит 6,67% углерода, поэтому в остающемся аусте­ните количество углерода уменьшается. Каждая точка линии ES показывает содержание углерода в аустените при данной температуре (правило отрезков). Критические точки, образующие линию ES, принято обозначать Аст. По линии PSK происходит окончательный распад аустенита на перлит во всех сплавах системы. Из аустенита образуется мелкая механическая смесь — эвтектоид, так как в равновесном состоянии γ-железо при температуре ниже 727°С существовать не может, а γ-железо практически углерод не растворяет (точка Р). При темпера­туре 727°С во всех сплавах содержится в аустените 0,83% С (точка S, куда сходятся линии GS и ES), значит состав перлита также постоянен и содержит 0,83% углерода. Критические точки, образующие линию PSK, при нагреве обоз­начают Ас1, а при охлаждении Аr1.

Отметьте в конспекте, что температура, при которой из аустенита начинает выделяться феррит или цементит (линии GS и ES), зависит от состава сплава, а превращение аустенита в перлит происходит во всех сплавах при одной и той же температуре (727°С).

Нужно знать, что в простых углеродистых сплавах в равновесном состоянии при температуре ниже 727°С аустенит существовать не может, он распадается на перлит (эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного). Запомните равно­весные структуры - железоуглеродистых сплавов: аустенит, феррит, перлит, це­ментит, ледебурит. Запишите в конспекте, что они собой представляют. Запомните разницу между эвтектикой и эвтектоидом: и то и другое — мелкая механическая смесь, но эвтектика — продукт первичной кристаллизации, она получается при одновременной кристаллизации двух или нескольких фаз из жидкого раствора, а эвтектоид — продукт вторичной кристаллизации, он образуется при распаде твердого раствора. И эвтектика, и эвтектоид образуются в том случае, если вещества друг в друге не растворяются в твердом состоянии. Хорошо разберитесь в процессах, протекающих при нагревании и охлаждении сплавов с различной концентрацией углерода. Особое внимание обратите на критические точки, в кото­рых происходит вторичная кристаллизация, и на получающиеся структуры.

Изучая часть диаграммы с образованием чугуна, запомните, что ледебурит является характерным признаком белых чугунов. Повторите из темы 1.1, какие чугуны называются белыми, а какие — серыми. Содержание углерода может быть одинаковым и у белых и у серых чугунов; отличаются они состоянием угле­рода. В серых чугунах углерод имеет форму пластинок. Металлическая основа может быть перлитной или ферритной.

Отвечая на вопросы контрольной работы по диаграмме железо—углерод, вычертите полностью диаграмму и укажите структуры во всех областях. Проведи­те вертикаль, отвечающую заданному сплаву. Рядом с диаграммой вычертите кривую охлаждения данного сплава, укажите на ней температуры, соответствую­щие каждой критической точке. Опишите структурные превращения в каждой критической точке. Описывать нужно только те превращения, которые происходят в заданном сплаве.

Например, вопрос: вычертите диаграмму железо—цементит и укажите превращения в стали, содержащей 1% углерода, при медленном охлаждении от 1600 до 20°С. Ответ: при охлаждении сплава до температуры t= 1450°C (рис.1) идет охлаждение жидкого раствора. Начиная с точки t1 из жидкого раствора выделяются кристаллы аустенита. Аустенит — это твердый раствор углерода в γ-железе. В интервале температур между точками t1 и t2=1340°С количество кристаллов аустенита увеличивается, а количество жидкой фазы уменьшается. В точке h происходит окончательное затвердевание аустенита. В интервале температур между точками t2 и t3 никаких превращений не происходит, идет охлаждение аустенита. В точке t3 = 800°С начинается вторичная кристаллизация: из аустенита начинает выделяться вторичный цементит, так как растворимость углерода в железе с уменьшением температуры уменьшается. Цементит — это химическое соединение железа с углеродом—карбид железа (FeeC). В интервале температур между точками t3 и t4 количество цементита увеличивается. Поскольку цементит содержит 6,67% углерода, в остающемся аустените количество углерода уменьшается в соответствии с точками линии ES. В точке t4 = 727°С оставшийся аустенит, содержащий 0,83% углерода (точка S), окончательно распадается на перлит. Перлит — это эвтектоид—мелкая механическая смесь феррита и це­ментита вторичного. Окончательная структура сплава — перлит и цементит вторичный.

После изучения темы нужно у меть: 1) описывать превращения, протекающие в железоуглеродистых сплавах разной концентрации при их медленном охлаждении или нагревании; 2) объяснять причины вторичной кристаллизации в железо­углеродистых сплавах; 3) указывать превращения во всех критических точках диаграммы; 4) исходя из структуры до- и заэвтектоидной стали, указывать разни­цу в их свойствах; 5) исходя из структуры белых и серых чугунов указывать их свойства и область применения.

^ Вопросы для самопроверки

1. Какие превращения происходят в сплавах железо—цементит по линиям GS и FS? 2. При какой температуре происходит образование перлита? 3. Пользу­ясь диаграммой железо—цементит, постройте кривую охлаждения сплава, содер­жащего 0,5% углерода, при медленном охлаждении из расплавленного состояния до комнатной температуры. 4. Укажите, что из себя представляют все структуры в железоуглеродистых сплавах. 5. Сколько углерода растворяется в аустените при 1147°С и при 727°С? 6. Назовите линии первичной кристаллизации на диаграмме железо—цементит. 7. Назовите структуры до- и заэвтектических белых чугунов. 8.В чем сущность вторичной кристаллизации белых чугунов? 9. Какое применение имеют белые и серые чугуны? 10. Какое практическое значение имеет диаграмма железо—цементит?


^ 2.5. Основы теории термообработки


Превращения стали при нагреве превращение перлита в аустенит. Рост зерна аустенита изотермическое превращение мартенситное превращение. Промежуточное превращение. Отпуск стали.

^ Методические указания

Изучение темы начните с процессов; протекающих при охлаждении аустенита с различной скоростью. Разберите диаграмму распада аустенита при непрерыв­ном охлаждении и изотермического распада аустенита (С-образные кривые), а также структуры, получающиеся при разной скорости распада аустенита. Запишите, чТема 2.9. Конструкционные стали. Маркировка, применение.


Влияние углерода и основных примесей на структуру и механиче­ские свойства стали. Классификация углеродистых сталей по качеству и назначению. Маркировка углероди­стых сталей. Основные свойства и об­ласть применения.

Основные легирующие элементы, вводимые в сталь. Влияние их на структуру, механические свойства и термическую обработку. Маркировка, применение.

^ Методические указания

Перед изучением этой темы повторите тему 1.2. Вспомните, по каким факторам судят о качестве стали и о том, что оно в значительной мере зависит от способа выплавки. Затем разберите маркировку стали по ГОСТу. Выпишите в конспект несколько марок конструкционной и инструментальной сталей обыкновенного качества, качественной и высококачественной и укажите их состав, свойства и область применения. Нужно знать влияние углерода и основных примесей на свойства углеродистой стали. Запомните, что вредное влияние фосфора проявля­ется при работе стальных деталей, сера же главным образом затрудняет горячую обработку давлением. На работу деталей она практически не влияет, так как детали из углеродистых сталей при высоких температурах не работают. Основное внимание обратите на требования к конструкционным и инструментальным ста­лям. Запомните, что в конструкционных сталях содержание углерода не превыша­ет 0,65%, так как при большем содержании углерода детали становятся хрупки­ми. В инструментальных сталях, наоборот, содержание углерода должно быть выше 0,7%, так как инструмент в первую очередь должен быть твердым (кроме штампов, деформирующих металл в горячем состоянии).

Разберите, почему свойства легированных сталей отличаются от углероди­стых при одном и том же содержании углерода. Начните с влияния легирующих элементов на положение критических точек и линий диаграммы железо—це­ментит. При небольшом содержании легирующих элементов (2—5%) критические линии диаграммы сдвинуты незначительно, поэтому структура низколегированных сталей, а значит, и их свойства в отожженном состоянии мало отличаются от свойств углеродистой стали. Все преимущества низколегированных сталей про­являются только после закалки, поэтому такие стали следует применять только для таких деталей, которые по условиям работы должны подвергаться упрочняю­щей термической обработке. При большом содержании легирующих элементов (10—15%) критические точки А\ и А3 значительно повышаютс