Пояснения к выполнению второго задания
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Методические указания
для студентов заочной формы обучения
Набережные Челны
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
1.1 Цель и задачи изучения дисциплины
Материаловедение – это наука о различных материалах, широко используемых в настоящее время для производства разнообразных деталей, механизмов, приборов и конструкций.
Цель преподавания дисциплины – сформировать у будущих специалистов фундаментальные знания о природе и свойствах различных материалов, о зависимости этих свойств от состава и структуры, о закономерностях превращений в металлах и сплавах при теплофизическом и механическом воздействии на них в условиях производства и эксплуатации, для формирования навыков научно обоснованного выбора материалов, применения высокоэффективных методов их обработки и целенаправленного использования в механизмах и конструкциях с высокой степенью надёжности и долговечности.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- ознакомить студентов с современными, перспективными материалами, их свойствами, способами получения и областью применения;
- установить зависимость между химическим составом, строением и свойствами материалов, используемых для изготовления деталей машин и конструкций;
- раскрыть физическую сущность явлений, происходящих в машиностроительных материалах при воздействии на них различных факторов в условиях производства и эксплуатации;
- представить способы улучшения свойств материалов, обеспечивающие высокую надежность и долговечность механизмам и конструкциям.
1.2 Требования к уровню освоения дисциплины
В результате изучения дисциплины будущий специалист должен:
- получить представление об атомно-кристаллическом строении материалов, параметрах кристаллической структуры и её дефектах, механизмах формирования и взаимосвязи со свойствами материалов;
- познать физическую сущность явлений и закономерности структурно-фазовых превращений, происходящих в материалах в условиях их производства и эксплуатации;
- ознакомиться с современными, высокоэффективными способами обработки материалов и методами улучшения их физико-механических свойств;
- знать маркировку, способы получения, основные параметры и область применения наиболее распространенных машиностроительных материалов;
- уметь анализировать структуру и химический состав материалов, оценивать и прогнозировать их свойства;
- приобрести навыки научно обоснованного, рационального выбора материалов для конкретных изделий.
Знания, получаемые при изучении дисциплины «Материаловедение», расширяют общетехнический кругозор будущих специалистов и создают им фундамент для освоения спецкурсов.
1.3 План учебного процесса по дисциплине
Учебным планом по дисциплине «Материаловедение» для студентов заочной формы обучения предусмотрены установочные лекции, лабораторные работы, самостоятельная работа по изучению теоретического материала, а также контрольная работа. В завершении, курса в зависимости от специальности, предусмотрен экзамен или зачёт.
2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
И МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ЕЁ ИЗУЧЕНИЮ
Для студентов заочной формы обучения основным источником для изучения дисциплины является рекомендованная в разделе 5 литература, а также электронные версии лекций и учебников. При изучении дисциплины следует ориентироваться на приведённые ниже темы, соблюдая указанную последовательность их рассмотрения, а также на вопросы, представленные в разделе 3.
Содержание дисциплины «Материаловедение» отвечает требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования и включает следующие основные темы и вопросы:
- общая характеристика дисциплины, её цель и задачи, объект и предмет исследования, место среди других дисциплин, значение для будущих специалистов;
- атомно-кристаллическое строение материалов: агрегатные состояния вещества и свойства материалов, энергетические причины реализации того или иного состояния, кристаллическое и аморфное состояние твёрдых тел, понятие кристаллической решётки, система симметрии кристалла, элементарная ячейка и периоды кристаллической решётки, базис кристаллической структуры, степень компактности структуры, монокристаллическое и поликристаллическое строение материалов, методы изучения микроструктуры материалов, изотропные и анизотропные материалы, точечные, линейные, поверхностные и объёмные дефектыкристаллической структуры, плотность дефектов и их влияние на физико-механические свойства материалов;
- структура и свойства металлов: общая характеристика и классификация металлов, наиболее типичные химические, физические, технологические и механические свойства металлов, металлическая межатомная связь и модель «электронного газа», кристаллическая структура металлов (ОЦК, ГЦК и ГПУ-решётки), полиморфизм металлов;
- формирование микроструктуры металлов и сплавов при затвердевании: энергетические причины процесса кристаллизации, зависимость свободной энергии системы атомов от температуры, теоретическая (равновесная) и фактическая температуры кристаллизации, переохлаждение расплава, кривые охлаждения металлов, механизм процесса кристаллизации, критический размер зародыша, зависимость размера зерна металла от степени переохлаждения расплава, строение слитка металла;
- деформация и механические свойства материалов: упругая и пластическая деформация материалов, методы механических испытаний материалов (статические, динамические и циклические испытания), испытания материалов на одноосное растяжение, диаграмма растяжения металлов, предел текучести и прочности, жёсткость, пластичность и вязкость материалов, механизм упругой и пластической деформации, роль дислокаций в механизме сдвига атомных слоёв при пластической деформации, упрочнение (наклёп) металлов, возврат и рекристаллизация металлов, подвергнутых пластической деформации, вязкое и хрупкое разрушение материалов;
- строение металлических сплавов: понятие сплава, фазы металлических сплавов, понятие диаграммы состояния сплава, линии ликвидус и солидус, построение диаграмм состояния термическим методом, основные типы диаграмм состояния двухкомпонентных сплавов, эвтектическое, эвтектоидное и перитектическое превращения в сплавах, правило отрезков, фазы и структурные составляющие сплавов железа с углеродом (феррит, аустенит, цементит, графит, перлит, ледебурит), диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов («железо-цементит» и «железо-графит»), фазовые превращения в сталях и чугунах;
- стали и чугуны: общая характеристика и способы получения сталей и чугунов, влияние углерода и постоянных примесей на структуру и свойства сталей, классификация и маркировка углеродистых сталей, образование графитных включений в чугунах, факторы, влияющие на процесс графитизации чугунов, белые и графитные чугуны, серые, ковкие и высокопрочные чугуны, свойства чугунов, область их применения и маркировка, общая характеристика легированных сталей, влияние различных легирующих компонентов на структуру и свойства сталей, классификация и маркировка легированных сталей;
- термическая обработка материалов: операции термообработки и их назначение, основные фазовые превращения в сталях при термообработке, образование аустенита из перлита при нагреве сталей, превращение аустенита в феррито-цементитную смесь при медленном охлаждении сталей, диаграмма изотермического распада аустенита, сорбит, троостит и бейнит, мартенсит и мартенситное превращение аустенита, превращения при отпуске закалённых сталей, отжиг и нормализация углеродистых сталей, виды закалки и отжига, выбор температуры нагрева при закалке конкретных сталей, закалка доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей, способы закалки и прокаливаемость сталей, отпуск закалённых сталей, поверхностная закалка углеродистых сталей, химико-термическая обработка сталей, азотирование, цементация и нитроцементация;
- сплавы специального назначения: стали, устойчивые против коррозии, высокопрочные, жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы, быстрорежущие стали и твёрдые сплавы для режущего инструмента, стали для штампов и форм литья под давлением, материалы абразивных инструментов и режущая керамика, пружинные и шарикоподшипниковые стали;
- цветные металлы и сплавы: медные, алюминиевые, титановые и цинковые сплавы, их классификация, свойства, область применения и маркировка;
- основные неметаллические материалы: пластмассы, термопластичные и термореактивные материалы, каучуки и резиновые материалы, стекло и керамика, композиционные материалы.
3. ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЭКЗАМЕНУ
1. Агрегатные состояния вещества.
2. Аморфное и кристаллическое состояние твёрдых тел.
3. Понятие кристаллической решётки.
4. Структура кристаллов.
5. Поликристаллическое (зернистое) строение материалов.
6. Анизотропия кристаллов.
7. Точечные дефекты кристаллической структуры.
8. Линейные дефекты кристаллической структуры.
9. Поверхностные и объёмные дефекты структуры.
10. Общая характеристика и классификация металлов.
11. Модель «электронного газа» и свойства металлов.
12. Кристаллическая структура металлов.
13. Полиморфизм металлов.
14. Энергетические причины процесса кристаллизации (зависимость свободной энергии системы атомов от температуры; равновесная и фактическая температуры плавления и кристаллизации).
15. Кривые охлаждения металлов и сплавов.
16. Механизм процесса кристаллизации. Зависимость размера зерна металла от степени переохлаждения расплава.
17. Строение слитка металла (три зоны кристаллизации слитка).
18. Механические свойства и методы механических испытаний материалов (статические, динамические и циклические испытания материалов).
19. Упругая и пластическая деформация материалов. Испытания материалов на одноосное растяжение.
20. Диаграмма растяжения металлов. Определение жёсткости, прочности, пластичности и вязкости материалов.
21. Механизм упругой и пластической деформации. Роль дислокаций в механизме сдвига атомных слоёв при пластической деформации.
22. Наклёп или упрочнение металлов под воздействием холодной пластической деформации.
23. Возврат и рекристаллизация металлов, подвергнутых пластической деформации.
24. Вязкое и хрупкое разрушение материалов.
25. Понятие сплава и фазы металлических сплавов (химические соединения, твёрдые растворы, чистые компоненты).
26. Понятие диаграммы состояния сплава и метод построения диаграмм.
27. Диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии и правило отрезков.
28. Диаграмма состояния для сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов.
29. Диаграммы состояния для сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии (диаграмма с эвтектикой и перитектикой).
30. Диаграммы состояния для сплавов, компоненты которых образуют химические соединения.
31. Диаграммы состояния для сплавов, компоненты которых испытывают полиморфные превращения.
32. Фазы и структурные составляющие сплавов железа с углеродом (феррит, аустенит, цементит, графит, перлит, ледебурит).
33. Диаграммы состояния «железо-цементит» и «железо-графит».
34. Общая характеристика и способы получения сталей и чугунов.
35. Влияние углерода и постоянных примесей на структуру и свойства углеродистых сталей.
36. Классификация и маркировка углеродистых сталей.
37. Образование графитных включений в чугунах.
38. Микроструктура, свойства и маркировка чугунов.
39. Общая характеристика легированных сталей. Влияние различных легирующих элементов на структуру и свойства сталей.
40. Классификация и маркировка легированных сталей.
41. Термообработка материалов. Основные операции термообработки и их назначение.
42. Основные фазовые превращения при термообработке углеродистых сталей.
43. Превращение перлита в аустенит при нагреве стали.
44. Превращение аустенита в феррито-цементитную смесь при медленном охлаждении сталей.
45. Диаграмма изотермического распада аустенита.
46. Превращение аустенита в мартенсит.
47. Превращения при отпуске закалённых сталей.
48. Отжиг и нормализация углеродистых сталей.
49. Закалка доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей.
50. Способы закалки и прокаливаемость сталей.
51. Отпуск закалённых сталей.
52. Поверхностная закалка углеродистых сталей.
53. Химико-термическая обработка сталей.
54. Стали, устойчивые против коррозии.
55. Высокопрочные, жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы.
56. Быстрорежущие стали и твёрдые сплавы для режущего инструмента. Материалы абразивных инструментов и режущая керамика
57. Стали для штампов и форм литья под давлением.
58. Пружинные и шарикоподшипниковые стали.
59. Латуни (классификация, свойства, область применения, маркировка).
60. Бронзы (классификация, свойства, область применения, маркировка).
61. Алюминий и сплавы на его основе.
62. Пластмассы.
63. Резиновые материалы.
64. Стекло и керамика.
65. Композиционные материалы.
4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙРАБОТЫ
Учебным планом по дисциплине «Материаловедение» для студентов заочной формы обучения предусмотрено выполнение контрольной работы. Данная работа состоит из трёх заданий, варианты которых представлены ниже. При выполнении первого и третьего задания необходимо дать ответы на поставленные вопросы, используя рекомендованную литературу. Для выполнения второго задания нужны навыки работы с диаграммами состояния, а также знание фаз железоуглеродистых сплавов и правила отрезков.
Номер варианта контрольной работы совпадает с порядковым номером студента в списке учебной группы.
Контрольная работа выполняется на листах формата А4 в печатном виде и сопровождается титульным листом установленного образца. Диаграммы и кривые охлаждения могут быть оформлены на листах большего формата тушью, карандашом или на компьютере. При этом необходимо использовать точное изображение диаграммы состояния «железо-цементит», приведённое в литературе.
Варианты контрольнЫХ работ
Вариант 1
1. Опишите механизм и объясните причину необратимости пластической деформации металлов. Укажите роль дислокаций в процессе пластического деформирования металлов и сплавов.
2. Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Укажите на диаграмме и подробно опишите все структурные составляющие сплавов железа с углеродом. Для сплава, содержащего 0,1% С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1600 до 20°С. Какова структура указанного сплава при комнатной температуре?
3. Опишите процессы, происходящие при отпуске закалённых углеродистых сталей. Какую структуру будет иметь сталь после низкого, среднего и высокого отпуска?
Вариант 2
1. Что такое полиморфизм металлов? Приведите примеры. Постройте кривую охлаждения для чистого железа и опишите его кристаллографические модификации.
2. Используя диаграмму состояния «железо-цементит», определите температуру нагрева при полной и неполной закалке стали 30. Опишите все структурно-фазовые превращения в этой стали при её нагреве и быстром охлаждении.
3. Опишите влияние различных легирующих элементов на структуру и свойства легированных сталей.
Вариант 3
1. Опишите механизм процесса кристаллизации металлов и сплавов. Укажите влияние степени переохлаждения расплава на конечную структуру слитка.
2. Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Для сплава содержащего 0,2 % С постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1600 до 20°С. Используя правило отрезков определите для указанного сплава соотношение фаз и их состав при температуре 760°С.
3. Опишите различные режимы отжига углеродистых сталей и поясните назначение этих процедур.
Вариант 4
1. Опишите подробно точечные, линейные, поверхностные и объёмные дефекты кристаллической структуры. Как эти дефекты влияют на свойства материалов?
2. Используя диаграмму состояния «железо-цементит» определите температуру нагрева при полной и неполной закалке стали 40. Опишите все структурно-фазовые превращения в этой стали при её нагреве и быстром охлаждении.
3. Опишите состав, структуру и область применения некоторых латуней.
Вариант 5
1. Начертите типичную диаграмму растяжения металла, то есть график зависимости напряжения от деформации. Укажите на этой диаграмме и объясните смысл пределов текучести и прочности. Когда материал считается надёжным?
2. Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Для сплава, содержащего 0,4% С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1600 до 20°С. Используя правило отрезков определите для указанного сплава соотношение фаз и их состав при температуре 750°С.
3. Опишите различные режимы закалки углеродистых сталей, изобразив схему этих процессов на диаграмме изотермического распада аустенита.
Вариант 6
1. Как изменяются структура и свойства металлов в процессе их пластического деформирования? Сравните механизм упругой и пластической деформации.
2. Используя диаграмму состояния «железо-цементит», определите температуру нагрева при полной и неполной закалке стали 45. Опишите все структурно-фазовые превращения в этой стали при её нагреве и быстром охлаждении.
3. Опишите состав, структуру и область применения некоторых бронз.
Вариант 7
1. В каких случаях производят рекристаллизационный отжиг металлов? Подробно опишите эту процедуру, указав её влияние на структуру и свойства материала.
2. Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Для сплава, содержащего 0,6% С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1600 до 20°С. Используя правило отрезков, определите для указанного сплава соотношение фаз и их состав при температуре 750°С.
3. Как влияют различные легирующие элементы на диаграмму изотермического распада аустенита?
Вариант 8
1. Опишите механизм разрушения материалов. Укажите все отличия хрупкого разрушения от вязкого разрушения.
2. Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Укажите на диаграмме и подробно опишите все структурные составляющие сплавов железа с углеродом. Для сплава, содержащего 0,01% С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1600 до 20°С. Какова структура указанного сплава при комнатной температуре?
3. Объясните причину наклёпа (упрочнения) металлов.
Вариант 9
1. Опишите подробно все фазы, которые могут образовываться в металлических сплавах. Почему твёрдые растворы внедрения всегда оказываются ограниченными? При каких условиях твёрдый раствор замещения может быть неограниченным?
2. Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Для сплава, содержащего 0,8% С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1600 до 20°С. Используя правило отрезков, определите для указанного сплава соотношение фаз и их состав при температуре 1450°С.
3. Опишите различные режимы отпуска углеродистых сталей и укажите, какую структуру в результате этих процедур будет иметь сталь.
Вариант 10
1. Начертите типичную диаграмму состояния для сплавов, образующих механическую смесь чистых компонентов и укажите структурные составляющие для всех областей диаграммы. Что такое эвтектическая реакция?
2. Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Укажите на диаграмме и подробно опишите все структурные составляющие сплавов железа с углеродом. Для сплава, содержащего 4,3% С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1400 до 20°С. Какова структура указанного сплава при комнатной температуре?
3. Чем отличаются режимы закалки доэвтектоидных и заэвтектоидных углеродистых сталей? Обоснуйте.
Вариант 11
1. Начертите типичную диаграмму состояния для сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии и укажите структурные составляющие для всех областей диаграммы. Рассмотрите фазовые превращения в сплаве эвтектического состава.
2. Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Для сплава, содержащего 1% С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1600 до 20°С. Используя правило отрезков, определите для указанного сплава соотношение фаз и их состав при температуре 1400°С.
3. Опишите технологию закалки углеродистых сталей.
Вариант 12
1. Начертите типичные диаграммы состояния для сплавов, образующих химические соединения. В чём отличие диаграмм состояния для устойчивых и неустойчивых химических соединений?
2. Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Для сплава, содержащего 2,6% С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1600 до 20°С. Используя правило отрезков, определите для указанного сплава соотношение фаз и их состав при температуре 1250°С.
3. Опишите состав, структуру и область применения алюминиевых сплавов.
Вариант 13
1. Начертите типичные диаграммы состояния для сплавов, компоненты которых испытывают полиморфные превращения. Укажите на диаграммах и опишите подробно все структурные составляющие таких сплавов.
2. Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Для сплава, содержащего 1,2 % С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1600 до 20°С. Используя правило отрезков, определите для указанного сплава соотношение фаз и их состав при температуре 1400°С.
3. Чем отличается маркировка легированных конструкционных и инструментальных сталей? Приведите конкретные примеры этих сталей и укажите область их применения.
Вариант 14
1. Чем отличается эвтектическая реакция от эвтектоидной? Приведите примеры.
2. Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Для сплава, содержащего 2,8% С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1500 до 20°С. Используя правило отрезков, определите для указанного сплава соотношение фаз и их состав при температуре 1250°С.
3. Как влияют различные легирующие элементы на диаграмму состояния стали?
Вариант 15
1. Что такое перитектическая реакция? Приведите несколько примеров.
2. Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Для сплава, содержащего 1,4% С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1600 до 20°С. Используя правило отрезков, определите для указанного сплава соотношение фаз и их состав при температуре 1400°С.
3. Начертите диаграмму изотермического распада аустенита и поясните, какую структуру будет иметь сталь в зависимости от скорости её охлаждения из состояния аустенита.
Вариант 16
1. Продемонстрируйте работу правила фаз (закона Гиббса) на примере кристаллизации чистых металлов и двухкомпонентных сплавов.
2. Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Для сплава, содержащего 3% С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1500 до 20°С. Используя правило отрезков, определите для указанного сплава соотношение фаз и их состав при температуре 1200°С.
3. Опишите виды и назначение отпуска. Что такое улучшение сталей?
Вариант 17
1. Опишите подробно термический метод построения диаграмм состояния сплавов. Сопроводите описание конкретными примерами.
2. Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Для сплава, содержащего 1,5% С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1600 до 20°С. Используя правило отрезков, определите для указанного сплава соотношение фаз и их состав при температуре 1300°С.
3. Приведите классификацию легированных сталей по структуре в равновесном и нормализованном состоянии.
Вариант 18
1. Опишите подробно влияние углерода на структуру и свойства сталей.
2. Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Для сплава, содержащего 3,5% С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1600 до 20°С. Используя правило отрезков, определите для указанного сплава соотношение фаз и их состав при температуре 1200°С.
3. Приведите классификацию легированных сталей по составу и назначению.
Вариант 19
1. Опишите влияние различных постоянных примесей (Mn, Si, S, P, и газов) на структуру и свойства углеродистых сталей.
2. Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Для сплава, содержащего 1,6% С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1600 до 20°С. Используя правило отрезков, определите для указанного сплава соотношение фаз и их состав при температуре 1300°С.
3. Опишите различные режимы отпуска углеродистых сталей и укажите, какую структуру в результате этих процедур будет иметь сталь.
Вариант 20
1. Чем отличается маркировка углеродистых сталей обычного качества и качественных? Приведите примеры указанных сталей и укажите области их применения.
2. Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Для сплава, содержащего 5% С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1600 до 20°С. Используя правило отрезков, определите для указанного сплава соотношение фаз и их состав при температуре 1150°С.
3. Чем отличаются режимы закалки доэвтектоидных и заэвтектоидных углеродистых сталей? Обоснуйте.
Вариант 21
1. Какие факторы способствуют, а какие препятствуют процессу графитизации чугунов?
2. Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Для сплава, содержащего 1,8% С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1600 до 20°С. Используя правило отрезков, определите для указанного сплава соотношение фаз и их состав при температуре 1300°С.
3. Опишите мартенситное превращение аустенита. Как зависит температура начала и конца этого превращения от содержания в стали углерода?
Вариант 22
1. Опишите способы получения серого, высокопрочного и ковкого чугунов. Проведите сравнение механических свойств указанных сплавов.
2. Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Для сплава, содержащего 5,5% С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1600 до 20°С. Используя правило отрезков, определите для указанного сплава соотношение фаз и их состав при температуре 1200°С.
3. Что такое нормализация и как она влияет на структуру и механические свойства сталей?
Вариант 23
1. Опишите основные типы кристаллических решёток, характерных для металлов. Укажите их симметрию, базис и координационное число. Приведите примеры кристаллических структур некоторых металлов.
2. Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Для сплава, содержащего 2% С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1600 до 20°С. Используя правило отрезков, определите для указанного сплава соотношение фаз и их состав при температуре 1250°С.
3. Опишите процедуру графитизирующего отжига чугунов.
Вариант 24
1. Объясните причину зернистого строения металлов и сплавов.
2. Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Для сплава, содержащего 6% С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1600 до 20°С. Используя правило отрезков, определите для указанного сплава соотношение фаз и их состав при температуре 1200°С.
3. Опишите технологию закалки углеродистых сталей.
Вариант 25
1. Когда твёрдые материалы обладают анизотропией свойств и когда они изотропны?
2. Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Для сплава, содержащего 2,5% С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1600 до 20°С. Используя правило отрезков, определите для указанного сплава соотношение фаз и их состав при температуре 1200°С.
3. Начертите диаграмму изотермического распада аустенита и поясните, какую структуру будет иметь сталь в зависимости от скорости её охлаждения из состояния аустенита.
Вариант 26
1. Что такое полиморфизм металлов? Приведите примеры. Постройте кривую охлаждения для чистого железа и опишите его кристаллографические модификации.
2. Используя диаграмму состояния «железо-цементит», определите температуру нагрева при полной и неполной закалке стали 45. Опишите все структурно-фазовые превращения в этой стали при её нагреве и быстром охлаждении.
3. Опишите назначение и сущность химико-термической обработки стали на примере цементации.
Вариант 27
1. Начертите типичную диаграмму растяжения металла, то есть график зависимости напряжения от деформации. Укажите на этой диаграмме и объясните смысл пределов текучести и прочности.
2. Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Для сплава, содержащего 0,4% С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1600 до 20°С. Используя правило отрезков определите для указанного сплава соотношение фаз и их состав при температуре 750°С.
3. Опишите технологию поверхностной закалки стали.
Вариант 28
1. Опишите механизм разрушения материалов. Укажите все отличия хрупкого разрушения от вязкого разрушения.
2. Используя диаграмму состояния «железо-цементит», определите температуру нагрева при полной и неполной закалке стали 40. Опишите все структурно-фазовые превращения в этой стали при её нагреве и быстром охлаждении.
3. Опишите назначение и сущность химико-термической обработки стали на примере азотирования.
Вариант 29
1. Опишите подробно влияние углерода на структуру и свойства сталей.
2. Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Для сплава, содержащего 1,5 % С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1600 до 20°С. Используя правило отрезков, определите для указанного сплава соотношение фаз и их состав при температуре 1300°С.
3. Объясните причину зернистого строения металлов и сплавов.
Вариант 30
1. Объясните, как маркируют углеродистые и легированные стали в зависимости от их качества и назначения.
2. Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Для сплава, содержащего 3% С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1500 до 20°С. Используя правило отрезков, определите для указанного сплава соотношение фаз и их состав при температуре 1200°С.
3. Опишите структуру различных графитных чугунов.
Пояснения к выполнению второго задания
Наиболее часто второе задание контрольной работы формулируется следующим образом: Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Для сплава, содержащего N % С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1600 до 20° С. Используя правило отрезков, определите для указанного сплава соотношение фаз и их состав при температуре Т ° С.
Диаграмма состояния «железо-цементит» это графическое изображение, отражающее фазовый состав сплавов железа с углеродом при различной концентрации компонентов и различной температуре (рис. 1). Фазы и структурные составляющие данных сплавов на диаграмме обозначены буквами: Ф – феррит, А – аустенит, Ц – цементит, П – перлит, Л – ледебурит, Ж – жидкий расплав. Линии диаграммы ограничивают области существования различных фаз и отражают температуры фазовых превращений.
Кривая охлаждения представляет собой график зависимости температуры остывающего сплава от времени. Данную кривую для сплава произвольного состава можно построить на основе его диаграммы состояния. Для этого необходимо на диаграмме провести вертикальную линию, соответствующую хим. составу выбранного сплава. Точки пересечения этой линии с линиями диаграммы укажут критические температуры фазовых превращений в рассматриваемом сплаве. Полученные температуры используют для построения кривой охлаждения, выбрав произвольным масштаб оси времени.
Рассмотрим, в качестве примера, процедуру построения кривой охлаждения для сплава I, содержащего 1,5 % углерода. Этому сплаву на диаграмме соответствует вертикальная линия I, которая пересекает линии диаграммы в точках 1, 2, 3 и 4 (рис. 1).
Рис. 1. Диаграмма состояния «железо-цементит»
 |  | ||||||
 |  |
Рис. 2. Кривые охлаждения сплава I, содержащего 1,5 % углерода,
и сплава II, содержащего 5,5 % углерода.
Как видно из диаграммы при температурах выше точки 1 данный сплав находится в жидком состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, этот сплав начинает кристаллизоваться, т.е. в жидком расплаве появляются кристаллы аустенита. Процесс затвердевания сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации, что ведёт к уменьшению скорости охлаждения сплава. Это отражается на кривой охлаждения в виде её «перегиба» или уменьшения наклона в точке 1 (рис. 2). В точке 2 процесс кристаллизации завершается полным превращением жидкой фазы в зёрна аустенита и скорость охлаждения сплава становится близкой к первоначальной. В точке 3 начинается процесс выпадения кристаллов вторичного цементита из аустенита, что также сопровождается уменьшением скорости охлаждения сплава и, соответственно, уменьшением угла наклона кривой охлаждения. В точке 4 наблюдается эвтектоидная реакция, т.е. превращение аустенита в перлит – механическую смесь феррита с цементитом. Эвтектоидное превращение сопровождается выделением такого количества тепла, что температура сплава остаётся неизменной вплоть до полного завершения превращения. На кривой охлаждения это отражается в виде своеобразной «остановки» или «ступеньки» (рис.2). После завершения превращения сплав продолжает охлаждаться со скоростью, близкой к первоначальной.
На полученной кривой охлаждения укажем фазовый состав сплава I в различных температурных интервалах. Согласно диаграмме состояния при температурах выше точки 1 сплав находится в жидком состоянии (Ж). В интервале температур от точки 1 до точки 2 сплав состоит из жидкой фазы и кристаллов аустенита (Ж+А). Ниже точки 2 – только из зёрен аустенита (А). В температурном интервале от точки 3 до точки 4 сплав состоит из зёрен аустенита и вторичного цементита (А+ЦII). При температуре, соответствующей точке 4, наблюдается эвтектоидное превращение (А ® П = Ф + Ц). Ниже точки 4, и вплоть до комнатных температур, сплав состоит из зёрен перлита и вторичного цементита (П+ЦII).
Кривая охлаждения для сплава II, содержащего 5,5 % углерода, выглядит несколько иначе (рис. 2). Кристаллизация этого сплава начинается в точке 5 с выпадения из жидкого расплава кристаллов первичного цементита, что сопровождается уменьшением скорости охлаждения сплава. В точке 6 наблюдается эвтектическое превращение жидкой фазы в ледебурит – механическую смесь аустенита с цементитом. Это превращение идет при постоянной температуре и на кривой охлаждения при данной температуре отмечается характерная «ступенька». В точке 7 наблюдается эвтектоидное превращение аустенита в перлит, которое также идёт при постоянной температуре. Фазовый состав рассматриваемого сплава на различных участках кривой охлаждения определяют по диаграмме состояния.
С помощью диаграмм состояния можно определять не только фазовый состав любых сплавов, находящихся при различных температурах, но также и соотношение фаз, и их химический состав. Для этого необходимо воспользоваться правилом отрезков.
Предположим необходимо определить химический состав и соотношение фаз в сплаве I, находящемся при температуре 1300 °С. Для этого на диаграмме необходимо провести горизонтальную линию, соответствующую выбранной температуре. Эта линия пересекает линии диаграммы в точках d и f, а вертикальную линию, отражающую состав сплава, - в точке h (рис. 1). Как видно из диаграммы сплав I при рассматриваемой температуре состоит из кристаллов аустенита и жидкой фазы. Доля в сплаве кристаллов аустенита определяется отношением отрезка hf к отрезку df, а доля жидкой фазы - отношением dh к df. При этом содержание углерода в жидкой фазе определяется проекцией точки f на ось концентраций, а химический состав аустенита - проекцией точки d на эту же ось.
Сплав II при температуре 1200 °С состоит из кристаллов цементита и жидкой фазы. Доля кристаллов цементита определяется отношением отрезков ts к tk, а доля жидкой фазы - отношением sk к tk (рис. 1). Хим. состав жидкости определяется проекцией точки t на ось концентраций, а хим. состав цементита остаётся постоянным – 6,67 % С.
5. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Ржевская С.В. Материаловедение: учеб. для вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Логос, 2004. – 424 с.
2. Материаловедение и технологические процессы в машиностроении: учеб. пособие для студ. по напр. "Технол., оборуд. и автоматизация машиностроит. пр-в" / С.И.Богодухов, А.Д.Проскурин [и др.]; под ред. С.И. Богодухова. – Старый Оскол: ТНТ, 2010. – 560 с.
3. Колесник П.А., Кланица В.С. Материаловедение на автомобильном транспорте: учебник для студ. вузов. – М.: Академия, 2005. – 320 с.
4. Материаловедение: учебник для студ. вузов / Б.Н.Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин [и др.]; под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. – 4-е изд., испр. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 648 с.
5. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1990.
6. Гуляев А.П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1986.
7. Материаловедение и технология металлов: учебник для студ. вузов / Г.П. Фетисов, М. Г. Карпман, В.М. Матюнин [и др.]; под ред. Г.П.Фетисова. – 2-е изд., испр. – М.: Высшая школа, 2002. –638 с.