Реферат: Материаловедение

Министерство общего и профессионального образования РФ

Камский государственный политехнический институт


МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ


Программа, методические указания и контрольные задания для студентов-заочников технических специальностей.


г. Набережные Челны, 2002г.

УДИ 669. 017. (075.8.).

Материаловедение. Программа, методические указания и контрольные задания для студентов – заочников технических специальностей. Составитель: В.И. Астащенко, Наб. Челны, КамГПИ, 2002г.


Методические указания по курсу «Материаловедение» составлены в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по подготовке специалистов машиностроительного профиля, утверждённого государственным комитетом РФ по высшему образованию. Представлены основные разделы дисциплины для самостоятельного изучения студентами заочной формы обучения. Составлены и приведены варианты заданий для выполнения контрольной работы. В приложении представлены диаграммы двойных сплавов и диаграмма «Железо-карбид железа». После каждой темы программы приведены методические указания.


Работа выполнена на кафедре «Машины и технология литейного производства».

ИЛ.: 19

Рецензент: Главный специалист по термической обработке ОАО КамАЗ В.Г. Козлов.


Печатается в соответствии с решением научно-методического совета факультета автоматизации и прогрессивных технологий Камского государственного политехнического института

от_____ _______ 2002г.


Камский государственный

политехнический институт

2002г.
ВВЕДЕНИЕ
Материаловедение – наука, изучающая строение и свойства материалов в зависимости от их состава и условий обработки.

Курс материаловедение включает в себя два направления, а именно раздел по металловедению и термической обработке металлов и сплавов и раздел по неметаллическим материалам. Раздел металловедения изучает связь между состоянием, строением и свойствами металлов и сплавов и закономерности их изменения при воздействии различных факторов (тепловых, химических, механических, электромагнитных и т.д.). Раздел по неметаллическим материалам в основном посвящён изучению пластмасс.

При конструировании и изготовлении машин и приборов, организации их эксплуатации и ремонта инженер постоянно сталкивается с машиностроительными материалами и их использованием.

Для выпуска высококачественной продукции особое значение приобретают изучение свойств промышленных металлических материалов, разработка и внедрение в промышленность новых высокопрочных и технологичных сплавов, применение новейших методов их контроля и исследования.

Изучение курса «Материаловедение» должно дать будущим специалистам:

Знание об основных закономерностях, определяющих строение, состав и свойства материалов;

Представление об основных методах испытания материалов и принципом работы с приборами и машинами;

Умение самостоятельного пользования технической и справочной литературой и дать достаточные знания для выбора основных промышленных, а также новых перспективных материалов и эффективных методов их обработки для обеспечения надёжности и долговечности, изготавливаемых из них изделий;

Знание о перспективах развития и методах упрочнения рабочих поверхностей деталей.

Теоретической основой данного курса является соответствующие разделы дисциплины «Химия» (используются знания законов протекания химических реакций окисления и восстановления металлов, понятие о константах равновесия и т.д.), «Физика» (используются знания законов об агрегатном состоянии веществ и фазовых превращениях), «Технология конструкционных материалов» (используются знания атомно-кристаллического строения металлов и сплавов, кристаллизация, методы определения механических свойств материалов, понятие деформации и разрушения металла, маркировка черных и цветных металлов и сплавов и т.д.)

Вместе с другими дисциплинами студенты получают необходимую общеинженерную и технологическую подготовку необходимую как на производстве, так и при работе в научно-исследовательских и проектных институтах.

В таблице 1 приведены учебные планы для различных технических специальностей с указанием времени изучения дисциплины и выполнения контрольной работы, распределения общего объёма часов по видам занятий и формы итогового контроля с учётом базового образования студентов.


Учебный план технических специальностей

по дисциплине «Материаловедение».


Таблица 1.

№

Специальность

Базовое

образо-вание.

Распределение по семестрам

Объём в часах

примечание

экз

зач

контр

всего

лек

лаб

пр.

сам

1

1201

с/о

3

-

3

119

6

4

-

109




2

1201

с/с

2

-

2

119

6

4

-

109




3

1204

с/с

2

-

2

119

6

4

-

109




4

1502

с/с

-

5

5

60

2

2

-

56




5

1502

с/с

2

-

-

60

2

2

2

54






Примечание: с/о – среднее образование

с/с – среднее – специальное образование.

Согласно, учебного плана (см. табл.1) студент выполняет одну контрольную работу, состоящую из пяти заданий. Вариант контрольной работы должен строго соответствовать учебному шифру студента (см. группа №1-стр.34; группа №2-стр.52).

Выполненную контрольную работу студент обязан выслать в институт или представить на кафедру за месяц до начала установочно-экзаменационной сессии. Экзамен принимается после зачтения контрольной работы. На странице 70 приводится перечень рекомендуемой литературы. В основной литературе освещены все вопросы программы. Использование дополнительной литературы позволит более глубокому изучению отдельных вопросов. В каждом разделе приводится программа, методические указания и литература с указанием конкретных страниц.

^ Программа и методические указания к темам дисциплины.

Тема 1. Классификация материалов.

Структурная схема основных материалов применяемых в машиностроении. Основные свойства характеризующие металлы. Новые материалы для изделий машиностроительной промышленности.

Методические указания.

Материалы, используемые в народном хозяйстве можно условно разделить на две группы: металлы и металлические сплавы и неметаллы. Первую группу составляют чёрные и цветные металлы и сплавы. Железо и сплавы на его основе (чугун, сталь, ферросплавы) называют чёрными. На основе железа изготавливают около 95% всех конструкционных и инструментальных материалов. Это связано с большим содержанием его в земной коре, низкой стоимостью и высокими технологическими и механическими свойствами. Остальные металлы (медь, никель, алюминий, золото, серебро и т.д.) и сплавы на их основе относят к цветным. Это металлы со специальными свойствами: малая плотность, химическая инертность, низкая или высокая температура плавления и т.д.

Металлы и металлические сплавы – тела кристаллические, атомы расположены в металлах в строго определённом порядке. Они обладают рядом характерных свойств: высокая термопроводимость и электрическая проводимость; положительный коэффициент электрического сопротивления; хорошая отражательная способность; высокая способность к пластической деформации.

В современной технике широко применяют стали, которые обеспечивают высокую конструктивную прочность, а также сплавы, которые остаются прочными при высоких температурах, вязкими при температурах близких к абсолютному нулю, обладающие высокой коррозийной стойкостью в агрессивных средах или другими физико-химическими свойствами. Число новых сплавов постоянно растёт – это так называемые композиционные материалы, сплавы с памятью формы, обладающие эффектом сверх - пластичности и т.д.

Основу группы неметаллов составляют пластмасса, каучук, резина, стекло, керамика и т.д. Такие материалы при достаточной прочности обладают хорошей химической стойкостью, диэлектрическими свойствами и малой плотностью. Они технологичны и эффективны при использовании в различных отраслях машиностроения.

Литература: 1, 3-36; 3, 9-32


Вопросы для самопроверки.

Каковы характерные свойства металлических материалов и неметаллов?

Что такое сталь, чугун, латунь, бронза, силумины и дюралюмины?

Какие материалы обладают свойствами анизотропии и изотропии?

Охарактеризуйте основные параметры кристаллической решётки и их связь со свойствами материалов?

Укажите причину изменения свойств материала под действием давления и температуры? Что такое полиморфные превращения?

Тема 2. Основы теории сплавов.

Изучите строение материалов и сплавов в твёрдом состоянии. Необходимо чётко представлять, что такое твёрдый раствор, химическое соединение и механическая смесь. Изучите принцип построения диаграммы состояния сплавов. Типы диаграмм состояния. Научитесь пользоваться правилом фаз и отрезков и устанавливать фазовый состав сплава. Отчётливо представляйте связь между составом сплава и его свойствами с помощью правила Курнакова.

Методические указания.

Сплав это вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. (компонентов). Строение сплава зависит от типа взаимодействия компонентов образующих сплав. В металлических сплавах возможно получение механической смеси, химических соединений и твёрдых растворов.

Составляющие сплав вещества могут вступать в химическое взаимодействие, образуя химические соединения по правилу валентности, или взаимно растворяться друг в друге, образуя растворы внедрения или замещения. Строением сплава может быть механическая смесь, если в твёрдом состоянии отсутствует механическое взаимодействие. Диафрагмы состояния сплава строят экспериментальным путём, которые представляются в графической форме и показывают изменение состава в зависимости от содержания компонентов и температуры. Диаграммы состояния позволяют определить, какую структуру будут иметь медленно охлаждённые сплавы, а также решить вопрос о том, можно ли добиться изменения микроструктуры в результате теплового воздействия (термической обработки сплава).

Вид диаграммы определяется характером взаимодействия, которые возникают между компонентами в жидком и твёрдом состояниях.

Типичными диаграммами состояния металлических сплавов являются диаграммы:

а) с неограниченной растворимостью компонентов друг в друге;

б) с ограниченной растворимостью компонентов;

в) с образованием химических соединений;

г) с полиморфным превращением.

Концентрация компонентов и количество фаз у сплава определяется правилом отрезков. Это правило применимо только для двухфазных областей в двойных диаграммах состояния сплавов.

Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз, отвечающих теоретическим условием равновесия, могут быть выражены правилом фаз.

, где

^ С – число степеней свободы,

К – количество компонентов составляющих сплав,

f – количество фаз,

2 – число переменных (давление и температура).

Если принять, что все превращения в сплавах протекают при постоянном давлении, то правило фаз примет следующий вид.



При числе степеней свободы равной «о» система находится в равновесии при строго определённой температуре (жидкая и твёрдая фазы).

Свойства любого сплава зависят от того, какие соединения или какие фазы образовали компоненты сплава.

В качестве примера по изучению фазового и структурного состояния сплавов рассмотрим диаграмму системы «олово-цинк» (Sn - Zn) (смотри приложение (рис. 1))

Согласно этой диаграммы линия АВС – линия ликвидус, а линия ДВЕ – солидус. Кроме того, линия ДВЕ соответствует температуре, при которой в процессе охлаждения сплавов в них протекает эвтектическая реакция с образованием эвтектики.

Сплавы системы «олово-свинец» в основном применяются в качестве мягких припоев.

При содержании  8% Zn и 92% Sn образуется эвтектический сплав. Температура его образования при кристаллизации соответствует 1990С.



В качестве припоев применяют сплавы с содержанием олова 90,70,60 и 40% марок ПОЦ – 90, ПОЦ – 70, ПОЦ – 60 и ПОЦ – 40.

Наилучшим из этой серии является сплав ПОЦ -90, так как он имеет самую низкую температуру кристаллизации 2020С. Эти сплавы имеют более высокую прочность, нежели оловянно свинцовистые сплавы.

При образовании смесей олово-цинк свойства сплава изменяются по линейному закону, следовательно, значения свойств сплава находятся в интервале между свойствами чистых компонентов.

Литература: 1, 37-65; 3, 88-123; 3, 139 – 141.

Вопросы для самостоятельной проверки.

Охарактеризуйте, что такое компонент, сплав, фаза и система?

Как проводят построения диаграмм состояния сплавов? Что такое линия солидус и ликвидус?

В чём различие между эвтектической, эвтектоидной и перитектической реакциями? Запишите их и проведите фазовый и структурный анализ?

В чём сущность и назначение правила Курнакова?

Что такое твердые растворы внедрения и замещения?

Изобразите основные виды диаграммы состояния сплавов? Проведите структурный и фазовый состав сплавов по этим диаграммам.

Тема 3. Железо и его сплавы.

Диаграмма состояния «Железо-цементит». Построения кривых охлаждения (нагрева) для железоуглеродистых сплавов с применением правила фаз. Классификация углеродистых сталей по структуре, качеству и степени раскисления. Маркировка и назначение углеродистых сталей. Классификация и маркировка чугунов. Свойства, назначение и способы получения белых, серых ковких и высокопрочных чугунов. Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа и на превращение в сталях. Получение сталей ферритного, мартенситного, ледебуритного и аустенитного класса. Маркировка, свойства и назначения легированных сталей.

Методические указания.

Наибольшее применение в промышленности имеют сплавы железа с углеродом – стали и чугуны. Поэтому изучение диаграммы состояния «железо-углерод» является основной задачей в подготовке специалистов машиностроительных предприятий. Указанная диаграмма (см. приложение рис. 2) показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита Fe3С (6,67% углерода). На диаграмме Fe – Fe3C показаны характерные точки и линии. Линия АВСД (линия ликвидус) показывает температуру начала кристаллизации из жидкого сплава кристаллов твердой фазы. Линия АНJЕF (линия солидус) является температурной границей, ниже которой сплавы находятся только в твёрдом состоянии. Характерными линиями являются также линия НJB, ECF и PSK. При температуре (14990С) (линия HJB) в сплавах протекает перитектическая реакция с образованием аустенита, состав которого по углероду соответствует точке «J».



При температуре 11470С (линия ЕСF) в процессе охлаждения в сплавах протекает эвтектическая реакция с образованием ледебурита (Л) - смеси состоящей из аустенита (А) и цементита (Ц).



Линия РSК – линия эвтектоидного превращения, которая при охлаждении соответствует распаду аустенита с образованием эвтектоида – феррито - цементитной структуры, получившей название перлит.



Используя диаграмму «железо-углерод» рассмотрим изменения фазового состава сплава с содержанием 0,45% углерода. В приложении на рисунке 3. приведена кривая охлаждения для такого сплава. Точки на кривой охлаждения соответствуют точкам указанным на диаграмме Fe – Fe3C (см. приложение рис.2)

При температуре 14990С во время охлаждения сплава протекает перитектическая реакция, сущность которой состоит в следующем:



Образующийся аустенит имеет состав соответствующий точке «J». По содержанию углерода это 0,16%.

При дальнейшем охлаждении сплава вплоть до температуры соответствующей точки 3 система состоит из аустенита и жидкости. Окончательный переход жидкости в аустенит завершается при этой температуре, между температурами точек 3 и 4 сплав имеет аустенитную структуру.

При температуре 7270С (точка 5) во время охлаждения сплава в нем протекает эвтектоидное превращение.



В результате этого превращения образуется механическая смесь, состоящая из феррита и цементита, то есть перлит. Содержание углерода в этой смеси – 0,8%. Последующее охлаждение до комнатной температуры не вызывает дополнительных превращений и структура сплава состоит из перлита и феррита.

В настоящее время в промышленности используется более 1500 марок сталей. По химическому составу стали, подразделяются на углеродистые и легированные. А любой стали, присутствуют постоянные (Si, Mn, S, P) и скрытые (О2, N2, Н2) примеси. По содержанию углерода стали, бывают доэвтектоидные (С0,8%) структура «перлит + феррит», эвтектоидные (С0,8%) структура «перлит », и заэвтектоидные (0,8 С 2,14%) структура «перлит + цемент». В зависимости от степени раскисления расплава Si, Mn и Аl стали, имеют различную степень загрязнения и называются спокойными (С.П.), полуспокойными (П.С.) и кипящими (К.П.). Наличие в стали серы и фосфора является основным критерием оценки её качества. В таблице 2 приведены предельно – допустимые содержания вредных примесей в стали различного качества.

Таблица 2.

№

Качество стали

Содержание вредных примесей, в %

Интервал колебания по содержанию углерода

Условное обозначение

сера

фосфор

1

2

3

4

5

6

1

Сталь обык-новенного качества


0,06


0,07


0,09

Ст.0

Ст.1

Ст.6

2

Сталь качественная

0,04

0,035

0,08

Ст.45

40Х

3

Сталь высо-кокачествен-ная


0,025


0,025


0,07

Буква «А» в конце маркировки

4

Сталь особо-высокока-чественная


0,015


0,015


0,07

Буква «Ш» в конце маркировки

Легированные стали – сплавы, в состав которых введены химические элементы для придания специальных свойств. Поэтому в маркировке стали в обязательном порядке указывают наличие такого элемента. Каждый легирующий элемент обозначают строго определённой буквой, а его количество указывают цифрой после буквенного обозначения. Отсутствие цифры означает, что такого легирующего элемента составляет  11,5% и менее. Условное обозначение, Х – хром; Н – никель; Т – титан; С – кремний; М – молибден; Ю – алюминий; Ф – ванадий; В – вольфрам; Д – медь; Г – марганец; К – кобальт; Б – ниобий; А – азот; Р – бор.

Примеры обозначения углеродистых и легированных марок сталей:

Ст. 0; Ст. 1Ст. 6- углеродистые стали обыкновенного качества. Цифра указывает на порядковый номер.

Сталь 10, Сталь 15 и т.д. – Стали углеродистые качественные. Цифра указывает на содержание углерода в сотых долях процента, а именно 0,10%; 0,15% и т.д.

Сталь 40Х – сталь качественная легированная, содержащая углерода 0,4%; хрома  1%, серы 0,035% и фосфора 0,035%.

Сталь 20Х2Н4ВА – сталь высококачественная легированная, содержащая: Углерод – 0,2%

Хром – 2%

Никель – 4%

Вольфрам  1%

Сера  0,025%

Фосфор  0,025%

При низком содержании углерода и большом количестве легирующего элемента (C , Мo, W, V, Si, Al и т.д.), образуется сталь, относящаяся к ферритному классу. Структура таких сталей при всех температурах состоит из легированного феррита. При высоком содержании в стали никеля и марганца при комнатной температуре можно получить чисто аустенитную структуру. Это класс сталей называют аустенитным. Кроме того, исходя из структуры полученной после охлаждения на воздухе, стали также бывают перлитного, мартенситного и карбидного классов.

На диаграмме Fe – Fe3C сплавы с содержанием углерода более 2,14% относятся к чугунам. В зависимости от содержания углерода, белые чугуны подразделяются на доэвтектичекие (2,14  С 4,3%), эвтектические (С4,3%) и заэвтектические (4,3 С 6,67%). Белые чугуны обладают высокой твёрдостью и износостойкостью. Углерод в таких сплавах находится в связанном состоянии в виде цемента (Fe3С). Это достигается за счёт высокой скорости кристаллизации расплава, и последующего ускоренного охлаждения изделий до температуры ниже точки А1.

При очень маленькой скорости охлаждения, то есть когда степень переохлаждения расплава невелика в сплаве образуется графит. Выделение графита в основном происходит из жидкой фазы и, кроме того, количество его увеличивается за счет распада аустенита.

В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов: серые, ковкие и высокопрочные. Чугуны маркируются следующим образом:

Ковкие – КЧ 30; КЧ 36 и тд.

Серые – СЧ 15; СЧ 40 и тд.

Высокопрочные – ВЧ 50; ВЧ 55 и тд.

Цифры указывают на минимальное значение предела прочности при растяжении.

Формы графита в чугунах:

Серых – пластичная; ковких – хлопьевидная; высокопрочных – шаровидная. Серые чугуны получают за счет медленного охлаждения расплава и изделия в форме, ковкие – путём высокотемпературного длительного отжига, высокопрочные – модифицированием расплава магнием или церием. Чугуны применяют в автостроении, двигателестроении и других отраслях народного хозяйства, как конструкционные материалы.

Литература: 1, 118 – 156; 3, 159 - 222

Вопросы для самопроверки.

Что такое перлит, феррит, аустенит, цементит и ледебурит?

В чём различие метастабильной и стабильной диаграммы Fe –Fe3C (Fe - C)?

Как проводится маркировка углеродистых и легированных марок сталей и чугунов?

Дайте объяснение и укажите способы получения белых и графитовых чугунов?

Что такое критические точки А1, А2, А3, А4, и Ам?

Вычертите диаграмму Fe – Fe3C, укажите структурное состояние во всех областях диаграммы и опишите превращение протекающие в сплавах при охлаждении при температурах 14990С, 11470С и 7270С?

Разберитесь в построении кривых охлаждения (нагрева) сплавов с различным содержанием углерода.

Тема 4. Термическая обработка сталей и чугунов.

Основные превращения в сталях при нагреве и охлаждении. Критические точки в стали. Диаграммы изотермического превращения аустенита. Основные виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Цель и назначение каждого вида термообработки. Закалка стали, её режимы и методы. Закалочные среды, понятие закаливаемости и прокаливаемости стали. Обработка стали холодом. Технология и виды отпуска. Отпускная хрупкость стали. Термомеханическая обработка. Виды брака при термообработке и методы его исправления и предупреждения.

Методические указания.

Термическая обработка – это процесс температурно-временного воздействия на металлы и сплавы с целью придания им необходимых свойств.

При многих видах термической обработки сталь нагревают до температур соответствующих существованию аустенита. Образование аустенита при нагреве является диффузионным процессом. При температуре 7270С перлит превращается в аустенит.



При невысоких температурах нагрева зерна аустенита мелкие. В результате повышения температуры зерно аустенита растёт. Однако склонность к росту зерна неодинакова у сталей, поэтому различают стали наследственно мелкозернистые и крупнозернистые. Продолжительный нагрев стали при температурах, значительно превышающих точки Ас3 или Асм приводит к образованию крупного зерна. Такое состояние называют, перегревом стали. Нагрев еще при более высоких температурах в окислительной среде вызывает пережог стали, который сопровождается образованием окислов железа по границам зерен. Пережог – неисправимый дефект стали. Величина зерна влияет на ударную вязкость и порог хладноломкости. Определение размера зерна проводится в соответствии с ГОСТ 5639-65.

Основными видами термической обработки являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг заключается в нагреве стали выше критической точки, выдержке и последующим медленным охлаждением. В результате отжига получают структуру перлит с ферритом или цементитом, и сталь приобретает высокую пластичность и низкую твёрдость. Различают следующие виды отжига: неполный, полный, изотермический, диффузионный и рекристализационный.

Нормализация стали это процесс нагрева выше критической точки Ас3 (Асm) с последующим охлаждением на воздухе. Получаемая структура – мелкопластинчатая перлитного класса (перлит, сорбит, троостит).

Закалкой называют нагрев стали выше точка Ас3 или Ас1 и последующее быстрое охлаждение (со скоростью выше критической). При охлаждении сталь приобретает структуру мартенсит и обладает высокой твёрдостью, прочностью и износостойкостью. На рисунке 18 (см. приложение) изображена зона оптимальных температур нагрева сталей под закалку в зависимости от содержания углерода. Закалка не является окончательным видом термической обработки. В зависимости от температуры нагрева закалка бывает полной и неполной. По условию охлаждения закалку подразделяют на непрерывную, прерывистую, ступенчатую и изотермическую. Чтобы уменьшить напряжения, вызванные закалкой, и получить нужные механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

Под отпуском понимают нагрев закалённой на мартенсит стали до температуры ниже точки Ас1 (7270С) с последующим охлаждением. В зависимости от температуры нагрева отпуск подразделяется на низкий (150 – 250оС), средний (300-450оС) и высокий (500-700оС). С увеличением температуры отпуска повышаются пластические свойства и снижается прочность стали.

Для грамотного назначения параметров термической обработки (температура и скорость нагрева, время выдержки и скорость охлаждения) с целью получения требуемых свойств стали необходимо пользоваться диаграммами изотермического и термокинетического распада аустенита.

В результате закалки сталей с содержанием углерода более 0.6 % углерода в структуре наряду с мартенситом сохраняется и остаточный аустенит, наличие которого снижает твердость и прочность изделия. Для превращения остаточного аустенита в мартенсит сталь необходимо переохладить до более низких температур. Эту задачу выполняет процесс обработки стали холодом.

Для упрочнения длинномерных изделий в промышленности применяют термомеханическую обработку, заключающуюся в сочетании горячей пластической деформации и термической обработки.

Отливки из чугуна подвергают отжигу, нормализации, закалке с отпуском в зависимости от требований предъявляемых к ним по структуре и твердости.

Рассмотрим выбор стали для изготовления пружин. Укажем состав и обоснуем режим термической обработки и опишем получаемую структуру и свойства стали.

(Для указанных деталей рекомендуем сталь 70С3А)

Сталь 70С3А. имеет следующий химический состав:

Углерод ~ 0,7% Сера  0,025%

Кремний ~ 3% Фосфор  0.025%

Марганец  0,8% Железо – остальное

Основные свойства рессорнопружинных сталей – придание изделиям высоких усталостных характеристик с целью надежной работы деталей в условиях знакопеременных нагрузок.

Для формирования таких свойств необходимо получить структуру троостит или троосто-мартенсит с твердостью 42-48НRС на деталях после термообработки. Такие свойства достигаются после нижеуказанной термической обработки:

Нагрев в защитной атмосфере до температуры 820-860оС, выдержки до завершения всех фазовых превращений и закалка в масло с рабочей температурой 40-60оС. После закалки сталь приобретает структуру мартенсит + небольшое количество остаточного аустенита. Твердость  55 НRС.

Отпуск при температуре 420-460оС в течении 2-3 часов.

После отпуска – структура троостит.

Свойства стали после такой обработки:

Твердость 44-46 НRС.

Предел прочности – более 1800Мпа.

Предел текучести – более 1600 Мпа.

Относительное удлинение (сужение) – более 6 (25)%.

Наличие кремния в стали, повышает ее прокаливаемость и значительно упрочняет феррит, задерживает распад мартенсита при отпуске и, как следствие, повышает предел текучести и упругость стали. Эти стали склонны к обезуглероживанию, поэтому их нагрев под закалку необходимо вести в защитной или контролируемой по углероду атмосфере.

Литература: 1,стр.156-220; 3 стр. 223-311.

Вопросы для самопроверки.

В чем различия между перлитом, сорбитом и трооститом?

Укажите сущность различных видов отжига и их назначение.

Рассмотрите диаграммы изотермического и термокинетического превращения сталей. Объясните связь скорости охлаждения с превращениями в стали.

В чем различие закаливаемости и прокаливаемости стали. Факторы влияющие на эти параметры и методы определения этих характеристик.

Изучите традиционные закалочные среды и их применение для закалки изделий из различных марок сталей.

Дайте понятие критической скорости охлаждения и изобразите ее на диаграмме изотермического превращения аустенита.

Что такое обратимая и необратимая отпускная хрупкость.

Какие преимущества имеет термомеханическая обработка перед закалкой с низким отпуском и почему?



Тема 5. Поверхностные методы упрочнения.

Основные методы поверхностного упрочнения – закалка с нагрева токами высокой частоты (Т.В.Ч.) и химико-термическая обработка (Х.Т.О.). Требования к химическому составу сталей для этих методов упрочнения. Механизм насыщения и формирования структуры в поверхностном слое при цементации, нитроцементации, азотировании и борировании. Примеры марок сталей, подвергаемых различным методам упрочнения. Термическая обработка цементованных и нитроцементованных деталей. Способы дополнительной поверхностной обработки деталей с учетом условий эксплуатации. Поверхностное упрочнение наклепом, лучем лазера и электронным лучом.

Методические указания.

Для получения большой твердости в поверхностном слое детали с сохранением вязкой сердцевины, что обеспечивает износоустойчивость и одновременно высокую динамическую прочность детали, применяют поверхностные методы упрочнения – закалку с нагрева Т.В.Ч. или Х.Т.О. Сущность закалки с нагрева Т.В.Ч. заключается в том, что поверхностные слои детали быстро нагреваются выше критических точек и создается резкий градиент температур по сечению. Если нагрев прервать и провести быстрое охлаждение, то слой металла, нагретый выше критической температуры получит закалку, а не нагретая сердцевина сохранит свое исходное структурное состояние. Для такого способа упрочнения применяют стали с содержанием углерода 0.4% и выше.

Химико-термическая обработка – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя неметаллами (С, N, Si,B и др.) или металлами (Cr, Al и др.) в процессе выдержки при определенной температуре в активной жидкой или газовой среде.

Широко применяются в машиностроении цементация (насыщение поверхности углеродом), нитроцементация (насыщение углеродом и азотом), азотирования (насыщение азотом) и борирование (насыщение бором). Цементации и нитроцементации подвергают, стали с содержанием углерода до 0,3%. Цементацию проводят при температуре 930-950оС, нитроцементацию – при 840-880оС. После насыщения изделия закаливают в масло, а затем подвергают отпуску при температуре 180-220оС. Эти виды Х.Т.О. обеспечивают получение твердости поверхности выше 55 НRС, а сердцевины менее 40НRC.

Для увеличения твердости, износостойкости, предела выносливости и коррозионной стойкости стальных изделий их подвергают азотированию, которое проводится при температуре 500-600оС в среде диссоциированного аммиака. Для азотирования применяют среднеуглеродистые легированные марки стали, предварительно прошедшие термическое улучшение. Упрочнение проводят на глубину 0,2-0,4 мм и получают поверхностную твердость в пределах 650-1200НV. Преимуществом этого метода является сохранение высокой твердости поверхности при нагреве деталей до 450-470оС и практически отсутствие деформации и коробления изделий.

Максимальная степень поверхностного упрочнения стальных деталей (НV1700 и выше) может быть получена путем борирования при температуре 910-950оС. После борирования стойкость деталей возрастает в 5-10 раз.

Для закрепления изученного материала, к примеру, проведен выбор обработки шестерен из стали 20Х. Рассмотрим микроструктуру и свойства поверхности и сердцевины детали после упрочнения. В соответствии с ГОСТ 4343-71 сталь 20Х имеет следующий химический состав:

Углерод – 0,17 – 0,23%;

Хром = 0,7 – 1,0%;

Кремний – 0.17 – 0.37%;

Марганец – 0,5 – 0,8%;

Сера, фосфор  0,035%;

Остальное – железо.

Свойства шестерен с учетом их условий эксплуатации должны быть следующими: для поверхности зуба – высока Резина – продукт специальной обработки смеси каучука и серы с различными добавками. Основные свойства - эластичность в широком диапазоне температур, высокая стойкость к истиранию, газо- и водопроницаемость, химическая стойкость и электроизоляционные особенности. ^ Литература 2, стр. 378-472, 6, стр. 584-700.

Вопросы для самопроверки.

Назовите состав и свойства пластмасс. Как классифицируются пластмассы по связующему и наполнителю?

Какие термопластики являются термостойкими, каковы их разновидности и свойства?

Опишите свойства органических стекол и способы повышения его качества?

Как классифицируются композиционные материалы с неметаллической матрицей по виду упрочнителя и матрицы?

В чем преимущества органоволокнитов, их свойства и применение?

В чем сущность процесса вулканизации; как изменяются свойства резины после вулканизации?

Как изменяются свойства резины под действием температуры, вакуума, радиации и озона?

Что такое керамика и ситаллы, их способы получения и свойства?

Какие знаете теплостойкие клеи, каковы их составы и свойства?

Темы рекомендованных лабораторных работ и

практических занятий.

1. Изучение микроструктуры углеродистых сталей - 2 часа.

2. Изучение микроструктуры чугунов - 2 часа.

3. Термическая обработка сталей - 2 часа.


Контрольная работа.

Контрольная работа должна быть выполнена в отдельной ученической тетради с указанием на титульном листе Ф.И.О. студента, специальность, номер группы, номер зачетной книжки, номер варианта, домашний адрес, а также год издания методических указаний, по которым выполнялась контрольная работа. Вариант контрольной работы выбирается студентом в соответствии с его учебным шифром, причем номер группы (1 или 2) вариантов выбирается по последней цифре номера зачетной книжки. Группа 1 относится к студентам, номер зачетной книжки, у которых закачивается цифрами 0, 2. 4, 6 и 8, а группа 2 - цифрами 1,3,5,7 и 9. Номер варианта в группе определяется по сумме двух последних цифр зачетной книжки. Например. Если номер зачетной книжки студента является 001235, то студент выполняет из группы №2 (последняя цифра номера зачетной книжки – 5) вариант № 8. (Сумма последующих цифр 3+5)

Контрольная работа, выполненная не по соответствующему шифру, не засчитывается и возвращается студенту без проверки.

При выполнении контрольной работы нельзя допускать небрежности в изложении материала и его оформлении. Рисунки и графики должны выполняться тщательно и с соблюдением масштаба.

Получив контрольную работу с рецензией, студент обязан внести в контрольную работу все исправления и дополнения, указанные преподавателем. Если работа не зачтена, то внеся требуемые исправления ( на отдельных листах), следует представить полностью всю работу для повторного рецензирования.

Выполненная контрольная работа должна быть представлена на кафедру «Машины и т