Введение
Материаловедение – наука, изучающая материалы, связь между их составом, структурой и свойствами, а также закономерности их изменения при тепловых, химических, механических, электромагнитных, радиационных и других воздействий.
Курс материаловедения является одним из основных в общеинженерной подготовке техника. Развивающаяся техника и связанное с этим постепенно растущее использование материалов во все исторические эпохи были, безусловно, необходимой предпосылкой желания людей улучшить свою жизнь. Без определенных материалов в соответствующем количестве, качестве, форме, без приобретения необходимых для этого знаний и умений человечество осталось бы на примитивной ступени развития. Из металлических материалов самыми широко применяющимися являются железо и сплавы на его основе — стали и чугуны.
Современная промышленность требует создания новых материалов, обладающих специальными свойствами: износостойкостью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью, высокой удельной прочностью и др. Техническое значение материалов зависит от внутренне присущих им свойств, которые определяются химической и физической природой материала. Для каждого случая применения необходимо в первую очередь проверять технические характеристики материала, которые выражают его свойства и определяют техническую пригодность.
Требования к оформлению контрольной работы
Контрольное задание выполняется обучаемыми самостоятельно в часы самостоятельной работы в виде письменных ответов на поставленные вопросы и оформляется в соответствии с требованиями Стандарта учебной организации.
Работа может бать выполнена как в рукописном варианте (в отдельной ученической тетради) так и с помощью компьютерного набора (выполнена на листах формата А4; поля: верхнее, нижнее, правое – 1,5 см, левое – 2,5 см; шрифт Times New Roman 14 пт; интервал: полуторный, красная строка 1,5 см). Титульный лист должен быть оформлен в соответствии с Приложением А.
При выполнении задания перед каждым ответом на вопрос необходимо поместить текст вопроса с указанием его номера. Все ответы должны быть краткими по форме и точными по содержанию. Ответы иллюстрируются рисунками или графиками. Ответ на каждый вопрос задания рекомендуется начинать с нового листа.
В конце работы приводится список использованной литературы.
Номер варианта на выполнение контрольной работы выдается преподавателем в соответствии с номером по списку в учебном журнале группы.
Задания для выполнения контрольной работы
Контрольная работа содержит два самостоятельных задания:
Задание 1.
Вычертить в масштабе диаграмму состояния "Fe-Fe 3C" (рисунок 1) и, пользуясь ею, указать, какие структурные превращения происходят в сплаве с заданным содержанием углерода при медленном охлаждении.
Данные для выполнения задания выбираем согласно таблицы 1.
Рисунок 1 – Диаграмма железо-цементит "Fe-Fe 3C"
Таблица 1 – Нумерация вопросов для контрольной работы
| № Вар. | 1 вопрос | 2 вопрос |
| Содержание углерода, % | ||
| 0,30 | ||
| 0,50 | ||
| 0,60 | ||
| 0,70 | ||
| 0,20 | ||
| 1,00 | ||
| 1,20 | ||
| 1,40 | ||
| 1,50 | ||
| 1,60 | ||
| 1,80 | ||
| 1,90 | ||
| 2,00 | ||
| 2,20 | ||
| 2,30 | ||
| 2,40 | ||
| 2,60 | ||
| 2,80 | ||
| 2,90 | ||
| 3,00 | ||
| 3,20 | ||
| 3,40 | ||
| 3,80 | ||
| 4,00 | ||
| 4,20 | ||
| 4,50 | ||
| 5,00 | ||
| 5,40 | ||
| 5,80 | ||
| 6,00 |
Задание 2
Дайте ответ на один из предлагаемых вопросов, согласно Вашего варианта.
1 Опишите кратко общую классификацию сталей по способу производства, химическому составу и назначению. Расшифруйте марки сплавов: БСт1кп; ЗОГ;20ХГР; БрАЖМц7-3-1.
2 Опишите влияние углерода, кремния и марганца на свойства углеродистых сталей. Расшифруйте марки сплавов: У8; СЧ35; Б16;60С2ХФА.
3 Опишите и покажите графически зависимость свойств углеродистых сталей от процента содержания углерода. Укажите область применения углеродистой стали в зависимости от содержания в ней углерода. Расшифруйте марки сплавов: СЧ40; ВСт5; 08пс; 38ХНЗБА.
4 Опишите влияние углерода, фосфора и серы на свойства углеродистых сталей. Какие элементы присутствуют в составе любой стали? Расшифруйте марки сплавов: КЧ-37-12; 05кп; 12Х18Н10Т; ШХ15.
5 Опишите структуру серого чугуна, зависимость его структуры от скорости охлаждения. Какая структура металлической основы серого чугуна обеспечивает оптимальные механические свойства отливок? Расшифруйте марки сплавов: СЧ15; 10кп; Б16; 50ХСА.
6 Опишите структуру и свойства высокопрочного чугуна. Чем объясняется прочность и пластичность высокопрочных чугунов? Расшифруйте марки сплавов: БрОФЮ-1; Х12М; ВЧ50-2; У12А.
7 Опишите структуру и свойства ковкого чугуна. Каким способом получаются ковкие чугуны? Расшифруйте марки сплавов: 15пс; СЧ18;Р14Ф14;ЛМцС58-2-2.
8 Объясните, как маркируются по ГОСТу конструкционные углеродистые стали. Расшифруйте марки сплавов: 20Х2Н4А; Р6МЗ; БСт4; 08кп.
9 Объясните, как маркируются по ГОСТу инструментальные углеродистые стали. Расшифруйте марки сплавов: ВСтЗ; Р14Ф4; 60С2ХФА; БрОЦС-5-7-5.
10 Кратко опишите классификацию легированных сталей по химсоставу, назначению и качеству. Опишите маркировку конструкционных легированных сталей. Расшифруйте марки сплавов: Р12; ВЧ42-12; 60С2; БрОЦС-6-6-3.
11 Перечислите основные легирующие элементы. Укажите их влияние на свойства сталей. Расшифруйте марки сплавов: ВСтЗ; 65Г;У8Г;Р18.
12 Укажите назначение инструментальных легированных сталей. Опишите их маркировку. Расшифруйте марки сплавов: 60С2ХФА; Ст1;Р9К5;БрОФ-10-1.
13 Опишите износоустойчивые стали, их область применения на железнодорожном транспорте. Расшифруйте марки сплавов: 08X18Н10; У12; 50; БрОЦС-6-6-3.
14 Опишите рессорно-пружинные стали, требования к ним, марки. Расшифруйте марки сплавов: СЧ18;Б83; 70С2ХА; БрАЖ9-4.
15 Опишите свойства и применение металлокерамических твердых сплавов и минералокерамических материалов (алмаз, эльбор). Расшифруйте марки сплавов: Л62; 08пс; 30X13; СтЗ.
16 Опишите свойства и применение нержавеющих сталей. Маркировка по ГОСТу. Расшифруйте марки сплавов: 20Х2Н4А; У10; Р14Ф4; Б83.
17 Опишите физико-химические и механические свойства меди, ее маркировку и применение. Расшифруйте марки сплавов: 5ХНМ; 60С2ХФА; БрСЗО; У7А.
18 Объясните, что такое латунь. Опишите ее состав, свойства, маркировку по ГОСТ и применение на транспорте. Расшифруйте марки сплавов: ЛМцС58-2-2; ЗОХГСА; ВСтЗ; 20.
19 Опишите физико-химические и механические свойства!- алюминия, а также свойства литейных алюминиевых сплавов. Расшифруйте марки сплавов: Р9Ф5; 10Г2С1Л; БЧ42-12; 20пс.
20 Опишите, какие сплавы называются бронзами, их маркировку, область применения на железнодорожном транспорте. Расшифруйте марки сплавов: Л63; УНА; КЧ70-2; ЗОХН2МА.
21 Опишите состав, свойства, применение и маркировку антифрикционных (подшипниковых) сплавов. Расшифруйте марки сплавов: Б83; Д16АТ; 60С2; 08.
22 Перечислите способы испытания механических свойств металлов, приведите формулы и опишите, как производится испытание на твердость. Расшифруйте марки сплавов: БрОЦС5-7-5; СтЗ; ВЧ45-6; 14Г2АФ. 48.
23Объясните, что такое коррозия металлов. Перечислите виды коррозии и кратко опишите химическую и электрохимическую коррозию. Расшифруйте марки сплавов: 5ХНМ; Р6МЗ; М75;У8А.
24 Перечислите способы защиты металлов от коррозии. Опишите сущность анодной защиты. Расшифруйте марки сплавов: 38ХНЗВА; Р18; 20кп; ЛАЖ 60-1-1.
25 Опишите сущность электрохимической защиты от коррозии. Расшифруйте марки сплавов: БрАЖМцЮ-3-1,5; 40Х10С2М; ВЧ35.
26 Расшифровать марку стали, описать её свойства (физические, химические, механические, технологические), область применения и способы изменения свойств (виды термической обработки). Стали: сталь 40, 08Х18Н10Т, Р14Ф4
27 Расшифровать марку стали, описать её свойства (физические, химические, механические, технологические), область применения и способы изменения свойств (виды термической обработки). Стали: ст.5пс, 15Х5М, СтЗ.
28 Расшифровать марку стали, описать её свойства (физические, химические, механические, технологические), область применения и способы изменения свойств (виды термической обработки). Стали: 16К, 08Х13, 20пс.
29 Расшифровать марку стали, описать её свойства (физические, химические, механические, технологические), область применения и способы изменения свойств (виды термической обработки). Стали: ст.4сп, 08Х17Т, 65Г.
30 Расшифровать марку стали, описать её свойства (физические, химические, механические, технологические), область применения и способы изменения свойств (виды термической обработки). Стали: ст.4сп, 07Х16Н6, ВСт5.
Рекомендации по выполнению контрольного задания
При ответе на первый вопрос задания необходимо вычертить на миллиметровой бумаге в масштабе диаграмму состояния углеродистых сплавов (Fе –Fе3С). Рекомендуемый масштаб по оси температур: в 1см -150 0С; по оси концентрации углерода: в 1 см - 0,5%. Структурные составляющие сплавов в областях диаграммы показать принятыми условными обозначениями (рисунок 2).
Отметить процентное содержание углерода в соответствии с заданием на оси концентрации диаграммы и провести через эту точку вертикальную линию. Точки пересечения данной линии с линиями диаграммы состояния пронумеровать сверху вниз и спроецировать на ось температур. По полученным значениям температур построить температурную кривую охлаждения сплава. Пользуясь полученной кривой охлаждения и диаграммой состояния, описать, какие превращения будут происходить в сплаве при его медленном охлаждении, проиллюстрировав их изображением микроструктуры сплава. Дать определение образующихся при этом структурных составляющих. Указать какую структуру будет иметь сплав после окончательного охлаждения, и каковы его будут механические свойства.
Например: Задан сплав с содержанием углерода 0,9%.
Рисунок 2 – Диаграмма состояния Fе –Fе3С и кривая охлаждения
сплава 0,9%С
Компонентами данной системы являются железо и углерод.
На диаграмме могут быть четыре фазы:
- жидкая фаза (Ж);
- феррит (Ф);
- аустенит (А);
- цементит (Ц).
Жидкая фаза существует выше линии ликвидус. Железо хорошо растворяет углерод, образуя однородную жидкую фазу.
Линии на диаграмме:
АСД — ликвидус; ЛЕСЕ — солидус; SE — линия предельной растворимости углерода в аустените; PQ — линия предельной растворимости углерода в феррите; GS— линия начала вторичной перекристаллизации (при охлаждении) — аустенита в феррит; PG — линия конца вторичной перекристаллизации; S — эвтектоидная точка; PSK — линия эвтектоидного превращения; С — эвтектическая точка; ECF — линия эвтектического превращения.
Сплавы на диаграмме:
до 0,02 % С — техническое железо (феррит);
до 2,14 % С — углеродистые стали;
свыше 2,14 до 6,67 % С — углеродистые чугуны;
от 0,006 до 0,8 % С — доэвтектоидные стали;
0,8 % С — эвтектоидная сталь;
свыше 0,8 до 2,14 % С — заэвтектоидные стали;
от 2,14 до 4,3 % С — доэвтектические чугуны;
4,3 % С — эвтектический чугун;
свыше 4,3 до 6,67 % С — заэвтектические чугуны;
6,67 % С - цементит.
Железоуглеродистый сплав с содержанием углерода 0,9% относится к заэвтектоидным сталям. При температуре выше 1480 0С (точка 1) сплав находится в жидком состоянии. При медленном охлаждении с понижением температуры ниже точки 1 (14800 С, температура ликвидуса) начинается затвердевание сплава с образованием аустенита (твердого раствора внедрения углерода в γ-кристаллической решетке железа) и сплав становится двухфазным – жидкая фаза и кристаллы аустенита. Кристаллизация сплава сопровождается выделением тепла, поэтому процесс охлаждения замедляется (на кривой охлаждения фиксируется перегиб). При понижении температуры до точки 2 (13900С, температура солидуса) затвердевание сплава завершается с образованием однородных кристаллических зерен твердого раствора – аустенита.
Микроструктура сплава приведена на рисунке 3.
а) 1390-7400С б) 740-7270С в) 7270С
Рисунок 3 – Микроструктура сплава 0,9%С
Дальнейшее понижение температуры вплоть до точки 3 (7400) изменений в структуре сплава не вызывает. Сплав остается однородным, состоящим из полиэдрических зерен аустенита (рисунок 3а). Аустенит обладает высокой пластичностью, низким пределом текучести и прочности.
При достижении температуры 7400С (точка 3) вследствие уменьшения растворимости углерода в γ-кристаллической решетке железа аустенит оказывается насыщенным углеродом и при дальнейшем понижении температуры из него выделяется избыточный углерод в виде вторичного цементита. Поэтому при температуре ниже 7400С сплав становится двухфазным (аустенит и цементит вторичный). Цементит выделяется по границам зерен аустенита в виде сетки (рисунок 3б). Цементит представляет собой химическое соединение железа с углеродом – карбид железа Fе3С. В цементите содержится 6,67% углерода, он обладает высокой твердостью и малой пластичностью.
По мере понижения температуры и выделения цементита концентрация углерода в аустените уменьшается. При снижении температуры до 7270С (точка 4) аустенит, содержащий 0,8% углерода, распадается с одновременным выделением из него феррита и цементита. Феррит представляет собой твердый раствор внедрения углерода в α-кристаллической решетке железа. Смесь феррита и цементита, образующаяся при эвтектоидном распаде аустенита, носит название перлит. Перлит имеет пластинчатое строение (рисунок 3в), т. е. состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. Эвтектоидное превращение аустенита происходит при постоянной температуре 7270С – на кривой охлаждения фиксируется горизонтальная площадка 4-4 (рисунок 2).
После окончательного охлаждения сплав с содержанием углерода 0,9% имеет структуру перлит +цементит вторичный. Перлит обладает наилучшим комплексом механических свойств, однако наличие цементита вторичного в виде цементитной сетки делает сплав хрупким.
При ответе на второй вопрос задания необходимо расшифровать марку материала (дать полную его характеристику согласно принятой классификации), указать его химический состав и механические свойства.
Например: задан материал 25ХГМ
25ХГМ- низкоуглеродистая, конструкционная, качественная сталь, легированная хромом, марганцем, молибденом.
Химический состав стали:
- углерод 0,23-0,29%
- марганец 0,9-1,2%
- хром 0,9-1,2%
- молибден 0,2-0,3%
Механические свойства:
Предел прочности, σв 1200МПа
Предел текучести, σ0,2 1100МПа
Относительное удлинение, σ 10%
Относительное сужение, ψ 45%
Твердость (без термообработки) НВ 205-215
Сталь 25ХГМ применяют для изготовления деталей, упрочняемых цементацией: валов, шестерен и т. п.