Задания на контрольные работы №1, №2 (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Департамент кадров и учебных заведений

Самарская государственная академия путей сообщения

Кафедра «Строительные, дорожные машины и технологии машиностроения»

ЗАДАНИЯ НА КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ №1, №2

С МЕТОДИЧЕСКИМИ УКАЗАНИЯМИ

по дисциплине «Материаловедение. Технологии конструкционных материалов»

для студентов заочной формы обучения спец. Л, ЭТ, В, СДМ

Часть I

Материаловедение

Самара 2003

 

УДК 621.7

Задания на контрольные работы №1, №2 с методическими указаниями по дисциплине «Материаловедение. Технологии конструкционных материалов» для студентов заочной формы обучения спец. Л, ЭТ, В, СДМ. Часть I. Материаловедение / СоставиСамара, СамГАПС, 2003.- 31 с.

Утверждено на заседании кафедры «Строительные, дорожные машины и технологии машиностроения» 24 апреля 2003 г., протокол №8.

Печатается по решению редакционно-издательского совета академии.

Дисциплина «Материаловедение. Технологии конструкционных материалов» является основой специальных инженерных курсов, источником сведений о металлах, сплавах, полимерных, композиционных материалах, технологиях получения заготовок деталей литьем, обработкой давлением, сваркой, резанием.

Изучение теории и практики формирования структур изделий с заданными свойствами необходимо для решения конкретных задач в реальных условиях производства.

Составитель к. т.н., доц. .

Редактор

Компьютерная верстка

Подписано в печать 20.05.03. Формат 60х84 1/16

Бумага офсетная. Печать оперативная. Усл. п.л. 1,9.

Тираж 150 экз. Заказ № 69.

ã Самарская государственная академия путей сообщения, 2003

 

ВВЕДЕНИЕ

Основной целью изучения дисциплины является умение обосновать и правильно выбрать материал, технологию получения изделий с заданным уровнем свойств.

Выбор материала – это начало координат системы, определяющей конструирование деталей технологичных по форме и способам получения изделий. Химический состав, физическое строение (структура), технологии обработки, служебные свойства, технико-экономическая эффективность получения являются подсистемами знаний, формируемых в процессе подготовки специалиста.

По составу материалы разделяют на металлы и неметаллы. Особую группу составляют композиционные материалы на металлических и неметаллических основах. Металлы, в свою очередь, разделяются на чистые и сплавы. Сплавы – на стали, чугуны и цветные; стали – на углеродистые и легированные и т. д. По строению можно дифференцировать материалы на аморфные и кристаллические. Последние различаются по типу кристаллических решеток и наличию дефектов структуры. Материалы отличаются технологическими, техническими характеристиками и другими свойствами, способы формообразования поверхностей деталей и конструкции учитывают эти особенности.

Технология – это 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 готовой сборочной единицы. Технико-экономическая эффективность применения материала является функцией многих показателей: себестоимость, дефицитность, долговечность, безопасность жизнедеятельности и пр.

Достигаемый уровень теоретических и практических знаний при изучении общепроизводственной дисциплины «Материаловедение. Технологии конструкционных материалов» основывается на общенаучных дисциплинах: физика, химия, теоретическая механика, сопротивление материалов, информатика и др.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ

РАЗДЕЛ 1. Основы материаловедения

Свойства материалов определяются их структурой. 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 свойств металла в процессе термической обработки.

Важным является понятие существенного отличия реального строения кристаллической решетки от идеального, 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 (15 000 МПа). Повышения прочности в 5-7 раз можно добиться и увеличением количества несовершенств, применяя наклеп, закалку, легирование.

Знание физической сущности механических свойств металлов и сплавов и их числовых значений, а также методов их определения исключительно важно для инженера. Студентам следует понять явление усталости металлов, так как оно является одной из основных причин выхода из строя транспортных деталей: осей, рельсов, пружин, рам тележек.

При изучении процессов расплавления и кристаллизации металлов необходимо уяснить причины, приводящие к фазовым превращениям: стремление к наименьшему запасу свободной энергии, образование центров кристаллизации. Дендритная структура, возникающая при кристаллизации, является следствием неравномерности роста кристаллитов в разных направлениях. При построении кривых охлаждения следует разобраться в физическом смысле температурных остановок, выражаемых площадками и перегибами на кривых, и определить понятие «критической точки».

Взаимодействие компонентов в твердом состоянии определяет структуру, а значит, и свойства сплава. Химическое соединение обладает особой, отличной от исходных компонентов кристаллической решеткой. Зная механические свойства отдельных фаз и структурных составляющих сплавов, например, высокую пластичность чистых металлов и повышенную хрупкость механических смесей, и особенно химических соединений, можно прогнозировать поведение сплава того или иного состава. 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. Изучая диаграмму состояний железо–цементит, установить состав, строение и условия образования различных фаз и структурных составляющих; понимать, в чем структурное различие между техническим железом, сталью и белым чугуном.

РАЗДЕЛ 2. Конструкционные материалы

Сталь – основной металлический сплав промышленности. Для удовлетворения запросов многих отраслей техники сталь выплавляют из чугуна передельного в кислородно-конверторных и мартеновских печах. Известно более 2000 марок сталей, отличающихся содержанием основных компонентов и постоянных примесей. От содержания углерода в сталях зависит уровень достигаемой твердости, пластичности, прочности. На свойства сплава влияют примеси Si и Mn, вредными примесями являются Р, S (хладноломкость, красноломкость), кислород, азот, водород снижают пластичность и способствуют ускорению хрупкого разрушения.

Изучая маркировку сталей необходимо знать, что процесс выплавки сталей заканчивается раскислением, т. е. удалением из жидкого металла избытка кислорода. Получают стали сп — спокойные, пс — полуспокойные, кп — кипящие.

Конструкционные стали с некоторой условностью подразделяют на стали нормальной (средней) прочности (sв @ менее 1000 МПа), повышенной прочности (sв @ до 1500 МПа) и высокопрочные (sв @ более 1500 МПа). В институте металлургии им. РАН получили суперпрочную сталь, предел прочности которой 3000 МПа, пластичность её составляет 14%.

Химический состав и механические свойства сталей устанавливают по ГОСТам, например: для углеродистых сталей обыкновенного качества – по ГОСТ 380, для углеродистых качественных сталей – по ГОСТ 1050, для углеродистых инструментальных сталей – по ГОСТ 1435, для легированных сталей – по ГОСТ 19281, 14959, 4543, 5950, 19265 и др. При ответах на вопросы, касающиеся марок сплавов, необходимо на основании ГОСТов указать принципы их классификации и привести необходимые примеры.

Все разновидности чугунов (серые, ковкие, высокопрочные) являются литейными сплавами, т. е. изделия (детали) из них получают формообразованием поверхностей кристаллизацией расплавленного металла в полостях форм, создаваемых под тот или иной способ литья.

В марках чугунов указывают sв и d. 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 отливки, которая определяет скорость охлаждения жидкого металла.