Методическое пособие по выполнению контрольной работы
ОП.03 Материаловедение
Методическое пособие по выполнению контрольной работы
Для специальности
«Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта»
23.02.03 (заочное отделение)
Методические рекомендации по выполнению контрольной работы студентов заочного отделения, разработаны на основе Федерального государственного образовательного стандарта для специальности 23.02.03 Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта и рабочей программы учебной дисциплины ОП. 03, «Материаловедение».
Организация-разработчик:
Государственное профессиональное образовательное учреждение «Кемеровский профессионально-технический техникум»
Автор-составитель:
Французова В.А., преподаватель высшей квалификационной категории, ГПОУ «Кемеровский профессионально-технический техникум»
Рецензент:
СОДЕРЖАНИЕ
1.Введение.
2.Перечень теоретических вопросов.
3. Практическая работа № 1. Механические испытания.
4. Практическая работа № 2. Чтение маркировки сплавов цветных металлов.
5. Практическая работа № 3.Изучение диаграммы железо-углерод.
6.Практическая работа №4. Структура и свойства стали.
7.Самостоятельная работа № 5. Структура и свойства чугунов.
8. Список рекомендуемой литературы
Приложение.
Введение
Методические указания выполнены в соответствии с федеральным государственным образовательным стандартом по специальности 23.02.03 «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта» и программой учебной дисциплины ОП.03 «Материаловедение» по данной специальности для студентов заочной формы обучения.
Место дисциплины в структуре основной профессиональной образовательной программы:ОП.00 Общепрофессиональная дисциплина профессионального цикла.
Цели и задачи дисциплины – требования к результатам освоения дисциплины:
В результате освоения дисциплины студент должен уметь:
- выбирать материалы на основе анализа их свойств, для конкретного применения;
- выбирать способы соединения материалов.
- обрабатывать детали из основных материалов;
В результате освоения дисциплины студент должен знать:
- строение и свойства машиностроительных материалов;
- методы оценки свойств машиностроительных материалов;
- области применения материалов;
- классификацию и маркировку основных материалов;
- методы защиты от коррозии;
- способы обработки материалов.
ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙРАБОТЫ
Контрольная работа выполняется студентами одним из способов:
1) в отдельной тетради в клетку, выполняется чернилами. Рисунки и схемы контрольной работы должны быть четко и аккуратно вычерчены карандашом;
2) на листах формата А4 (которые сшиваются в скоросшивателе) в текстовом редакторе MicrosoftWord. Рисунки и схемы выполняются при помощи графических программ.
На титульном листе контрольной работы пишутся: фамилия, имя, отчество, номер зачетной книжки (шифр), наименование дисциплины, номер варианта.
Перед ответом на теоретический вопрос необходимо указать наименование вопроса. Ответ на теоретический вопрос должен быть кратким, отражающим основные положения теории.
Каждое практическое задание нужно начинать с новой страницы, а в конце контрольной работы необходимо оставить чистыми несколько страниц для рецензии.
Выполненную контрольную работу студент должен в установленные сроки предоставить в заочное отделение ГПОУ Кемеровского профессионально-технического техникума для проверки преподавателем.
После получения студентом проверенной преподавателем контрольной работы студенту необходимо внимательно изучить рецензию и все замечания преподавателя, обратить внимание на ошибки и доработать материал. Не зачтенная работа или выполняется заново, или переделывается частично по указанию преподавателя.
Зачтенная контрольная работа предоставляется на экзамене или дифференцированном зачете по дисциплине.
Номер варианта контрольной работы определяется порядковым номером, под которым студент внесен в общий список группы.
Контрольные работы студентов проводится с целью:
- более углубленного освоения общих и профессиональных компетенций:
-систематизации и закрепления полученных теоретических знаний студентов;
- углубления и расширения теоретических знаний;
-развития познавательных способностей и активности студентов, самостоятельности, ответственности и организованности;
-формирования самостоятельности мышления, способностей к саморазвитию, самосовершенствованию и самореализации.
Внеаудиторная контрольная работа выполняется студентами по заданию преподавателя, но без его непосредственного участия.
По материаловедению используются следующие виды заданий для внеаудиторной контрольной работы:
~ для овладения знаниями: чтение текста учебника, дополнительной литературы, работа со справочниками, учебно-исследовательская работа, использование аудио- и видеозаписей, компьютерной техники и Интернета;
~ для закрепления и систематизации знаний: повторная работа над учебным материалом учебника, дополнительной литературы, аудио- и видеозаписей, составление плана и тезисов ответа, составление таблиц для систематизации учебного материала, ответы на контрольные вопросы, подготовка сообщений к выступлению на семинаре, конференции, подготовка рефератов, докладов; тематических кроссвордов;
~ для формирования умений: выполнение схем, анализ карт, подготовка к деловым играм.
ü Перед выполнением студентами контрольной самостоятельной работы преподаватель проводит инструктаж по выполнению задания, который включает цель задания, его содержание, сроки выполнения, ориентировочный объем работы, оформление работы, основные требования к результатам работы, критерии оценки. В процессе инструктажа преподаватель предупреждает студентов о возможных типичных ошибках, встречающихся при выполнении задания.
С целью лучшего усвоения и расширения знаний по изучаемому материалу, предусматриваются внеаудиторные контрольные работы. Всего для их выполнения предусмотрено 34 часа.
Практическая работа № 1.
Механические испытания.
Цель работы — ознакомление с методами механических испытаний сварных соединений.
Теоретические основы.
Разрушающие методы контроля, применяемые для оценки состава, структуры и свойств сварных соединений, включают в себя механические испытания, металлографические исследования и химический анализ. Эти виды контроля выполняют на специальных образцах, которые подвергают тем же технологическим воздействиям, что и материал в сварной конструкции. В исключительных случаях для разрушающего контроля может быть использована сама деталь.
Механические испытания сварных образцов позволяют определить стандартные механические характеристики материала. Кроме того, производят испытания на изгиб плоского образца. Эти виды испытаний необходимы, в частности, при аттестации технологии сварки, контроле сварочных материалов и сварных соединений.
Механические испытания позволяют оценить прочность и надежность сварных соединений. Основные методы определения механических свойств сварного соединения и его отдельных зон установлены в ГОСТ 6996—66, предусматривающем статические и ударные испытания при нормальных, а в некоторых случаях и при пониженных или повышенных температурах.
Механические испытания по характеру нагружения подразделяют:
- на статические, при осуществлении которых усилие плавно возрастает или длительное время остается постоянным;
- динамические — усилие возрастает почти мгновенно и действует короткое время;
- динамические усталостные — нагрузка многократно (при числе циклов от десятков до миллионов) изменяется по величине и знаку.
Стыковые сварные соединения подвергают следующим статическим испытаниям: на растяжение, изгиб, ползучесть, твердость и др.
Испытание на растяжениеосуществляют с целью определения прочности и пластичности сварного соединения. Для оценки временного сопротивления Gв сварного соединения при растяжении (представляющего собой напряжение, которое отвечает наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца) применяют образцы двух типов: одни из них, с валиком шва на лицевой поверхности (рис. 1), позволяют найти относительное значение Gв шва в сравнении с Gв основного металла, а другие, у которых валик шва снят заподлицо с основным металлом и выполнена специальная выточка шва, предопределяющая место разрушения, — абсолютное значениеGв.
Если прочность сварного соединения меньше, чем у основного металла, то допускается использование для испытания плоских и круглых образцов с одинаковой площадью сечения. При испытании стыковых швов соединений большой толщины (более 30 мм) применяют образцы, длина захватной части которых может быть установлена в соответствии с конструкцией испытательной машины, но изменение других размеров образцов недопустимо.
Для испытаний отдельных участков сварного соединения используют круглые образцы с рабочей частью диаметром 3... 10 мм, вырезанные вдоль оси сварного шва в соответствующей зоне со
 |  |
| Рис. 1. Образцы для определения относительной прочности шва при толщине основного металла менее 3 мм (а) и более 3 мм (б) |
Рис. 2. Схема фиксации образца в зажимах разрывной машины при испытании на растяжение; стрелкой показано направление действия силы
Для испытаний отдельных участков сварного соединения используют круглые образцы с рабочей частью диаметром 3... 10 мм, вырезанные вдоль оси сварного шва в соответствующей зоне соединения при многослойной сварке. При испытании на растяжение определяют условный предел текучести G02, временное сопротивление и относительное удлинение δ.
Под условным пределом текучести понимают напряжение, при котором деформация образца составляет 0,2% его первоначальной расчетной длины.
Относительное удлинение образца представляет собой процентное отношение абсолютного остаточного удлинения к первоначальной расчетной длине образца. Схема фиксации образца в зажимах разрывной машины при испытании на растяжение представлена на рис. 2. В этом случае определяют временное сопротивление наиболее слабого участка.
Временное сопротивление рассчитывают по методике, установленной в ГОСТ 1497—84. При испытании определяют место разрушения образца (по металлу шва, околошовной зоны или основному металлу).
Испытание на изгиб осуществляют для определения пластичности сварного соединения в целом. Пластичность стыкового соединения оценивается по углу изгиба образца до образования первой трещины на любом его участке. Угол изгиба измеряют в ненапряженном состоянии с погрешностью до ±2°. Схемы испытаний на изгиб при продольном и поперечном расположении шва приведены на рис.3.
На практике часто вместо плоских образцов используют трубчатые. Для ответственных конструкций считаются удовлетворительными углы изгиба 120... 180°. При отсутствии трещин испытание заканчивается изгибом образца до достижения параллельности сторон.
 |  |
| В - ширина пуансона; S - толщина образца Рисунок 3 - Схемы испытаний на изгиб при продольном (а) и поперечном (б) расположении шва |
Испытаниям на статический изгиб стыковых соединений листов и труб толщиной 3 мм и более подвергают четыре образца, два из которых подлежат изгибу с лицевой стороны шва, а два — с обратной. Если в процессе испытаний угол изгиба превысит 150°, то их можно продолжить, зафиксировав образец между двумя параллельными нажимными плитами и установив вместо пуансона прокладку толщиной, равной его толщине В. Испытания осуществляют после удаления прокладки до соприкосновения сторон образца.
Обязательным условием при выполнении испытаний на статический изгиб является плавность нарастания нагрузки на образец. Это условие выполняется при испытаниях на машинах и прессах, оснащенных опорными роликами, при скорости перемещения пуансона не более 15 мм/мин.
Кдинамическим относят испытания на ударный изгиб и на усталость.
Испытания на ударный изгиб позволяют определить ударную вязкость при заданной температуре. Образцы для испытаний (рисунок 4) изготавливают в соответствии с ГОСТ 6996—66. В зависимости от назначения испытания надрез располагают по оси сварного шва, в зоне сплавления или термического влияния. После испытания исследуют структуру излома для определения дефектов сварного шва.
 |  |  |
| а — 10 мм и более; б - 5... 10 мм; в - 2...5 мм Рисунок 4 - Образцы для испытаний на ударный изгиб толщины |
Для испытания применяют образцы с U- или V-образным надрезом (предпочтение отдают последним). Ударную вязкость определяют в джоулях на сантиметр в квадрате. Условное обозначение ударной вязкости или работы удара включает в себя:
- символ ударной вязкости (КС) или работы удара (К);
- вид надреза (концентратора напряжений) — U или V;
- температуру испытания (значение 20 °С не проставляют);
- максимальную энергию удара маятника (значение 300 Дж);
- тип образца;
- место расположения надреза (Ш — шов, ЗС — зона сплавления, ЗТВ — зона термического влияния, t— расстояние от границы сплавления до оси надреза); при расположении надреза поперек шва, зоны сплавления или термического влияния в конце обозначения ставят букву П.
Валик сварного шва на всех образцах удаляют до уровня основного металла. Смещение кромок в сварном соединении устраняют механическим путем. Разметку для нанесения надреза производят по макрошлифам, расположенным на гранях образца или заготовки для образцов.
Испытание на ударный изгиб осуществляют на специальной машине — маятниковом копре (рисунок 5). Образец 8 устанавливают на двух опорах 9 надрезом внутрь станины 7. Маятник б с ножом 5 поднимают на определенную высоту (угол) и закрепляют защелкой 4. Отпущенный маятник, разбивая образец, поднимается, и стрелка 3 шкалы 2 показывает угол его взлета. Останавливают маятник ремнем 10, натягивая последний рукояткой 1. По таблице определяют работу удара, затраченную на излом образца. У некоторых типов копров эта работа определяется по дисковому указателю.
1 - рукоятка; 2 - шкала; 3 - стрелка; 4 - защелка; 5 - нож; 6 - маятник;
7 - станина; 8 -образец; 9 - опоры; 10 - ремень
Рисунок 5 - Маятниковый копр
Испытания на усталость позволяют оценить устойчивость металла к воздействию переменных нагрузок при изгибе, растяжении и кручении. Переменные нагрузки характеризуются изменением амплитуды напряжения, и в зависимости от этого могут осуществляться симметричный, асимметричный или пульсирующий циклы нагружения. Цилиндрические или плоские образцы специальной формы и определенных размеров, вырезанные поперек сварного соединения, испытывают в условиях осевого нагружения. При испытаниях определяют предел выносливости. Количественной оценкой усталостной прочности является число циклов, которое выдержал сварной образец до разрушения.
Оформление результатов работы
Напишите отчет, в котором укажите название и цель работы, применяемое оборудование и образцы.методику их подготовки к различным видам испытаний.
Практическая работа №2.
Чтение маркировки сплавов цветных металлов.
Цель работы: развитие умений классифицировать, расшифровывать и
характеризовать область применения сплавов цветных металлов.
Оборудование:А.А. Черепахин - «Материаловедение»,
плакаты: «Область применения медных сплавов», «Свойства алюминиевых сплавов», «Область применения баббитов».
Содержание работы.
Теоретическая часть:
Классифицировать сплав – значит отнести его к соответствующему классу
материалов по признакам:
- химическому составу,
- структуре,
- применению.
Расшифровывая марку сплава, необходимо дать его полное название и раскрыть содержание всех букв и цифр марки. Следует иметь в виду, что в ряде сплавов содержание компонентов прямо не указано в арке, но следует из принципов маркировки данного материала и должно быть отражено при расшифровке.
Характеризуя область применения сплава, можно сослаться на круг наиболее
распространенных изделий из данного сплава. Необходимые для выполнения данного задания сведения содержатся в главе 2 учебника А.А. Черепахина «Материаловедение».
Сплавы на основе меди.Медные сплавы обладают высокими механическими свойствами, хорошо сопротивляются износу и коррозии. По составу легирования различают латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы.
Традиционная маркировка имеет следующий вид. Латуни обозначаются буквой Л, бронзы – Бр. У латуни после буквы Л указываются буквенные обозначения легирующих компонентов, далее проставляется массовое процентное содержание меди, затем подряд –массовое процентное содержание легирующих компонентов, содержание цинка –остальное. Например: ЛМцЖ55-3-1 – латунь, медь- 55 %, марганец – 3 %, железо – 1 %,цинк – остальное.
У бронзы после букв Бруказываются буквенные обозначения легирующих компонентов, далее подряд – массовое процентное содержание легирующих компонентов, содержание меди – остальное. Например: БрОЦС4-4-2,5 – бронза, олово –4%, кремний – 2.5 %, остальное – медь.
Сплавы на основе титана. Титановые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью и прочностью при малой плотности. Наибольшее распространение получили сплавы, легированные алюминием, оловом, марганцем, хромом и ванадием. Сплавы широко используются в машиностроении, особенно в авиа- и судостроении.
Сплавы на основе алюминия.Для алюминиевых сплавов характерна относительно большая удельная прочность. Литейные сплавы имеют хорошие литейные свойства, хорошо обрабатываются резанием. Маркируют буквами АЛ, затем цифрами, указывающими порядковый номер сплава. Деформируемые сплавы обладают удовлетворительной пластичностью, высокой коррозионной стойкостью, в основном применяются для сварных и клепаных соединений элементов конструкций, испытывающих небольшие нагрузки, но требующих высокого сопротивления коррозии.
Марки дюралюминиевых сплавов начинаются с буквыД, за которой стоит цифра,обозначающая условный порядковый номер сплава.
Антифрикционные сплавы.Такие сплавы применяют для заливки подшипников скольжения. Применяются сплавы на основе олова или свинца (баббиты), меди, алюминия, цинка. Баббиты обозначаются буквойБ, далее ставится цифра, показывающая процентное содержание олова, или буква, характеризующая специальный элемент, входящий в сплав.
Например: Б88 – сплав содержит 88 % олова, БТ – сплав содержит
теллур, БК2 – основа свинец.
Задания для работы
Задание 1.Из перечисленных ниже марок оловянных бронз укажите сначала
литейные, а затем деформируемые бронзы: БрОЦ4-3, БрОЦС4-4-4, БрО10, БрОЦСН3-7-5-1, БрОФ10-1, БрОФ4-0,25, БрОЦС5-5-5, БрОФ6,5-0,4. Для ответа необходимо учитывать влияние олова на механические свойства оловянных бронз, а также руководствоваться данными табл. 6 и 7. Укажите их химический состав.
Задание 2.Какой химический состав имеют следующие материалы:
БрАЖ9-4,БрКМц3-1, БрБ2, БрМц5, БрС30, Л96, ЛС80-3, ЛЖМц59-1-1, ЛА77-2.
Задание 3.Из перечисленных марок металлических материалов выберите марки антифрикционных сплавов: БрС30, АК4, ШХ6, У7, Б83, Р!8, БН, БСт5, БрОЦС5-5-5, АСЧ-1, Б16, ШХ15, БК, БСт6, БТ, Т15К6, ВТ14.
Задание 4. Какие из указанных марок литейных алюминиевых сплавов наиболее пригодны для производства отливок и почему: АЛ7, АЛ2, АЛ4, АЛ8, АЛ23, АЛ9, АЛ19?
Задание 5.Каков химический состав и назначение следующих марок латуней: Л68,ЛС59-1Л, ЛКС80-3-3, ЛАЖ60-1-1?
Таблица – Бронзы оловянные литейные
| Марка | Вид Литья | Механические свойства | Примерное назначение | ||
| σb, Mн/м2 | δ, % | НВ | |||
| БрОЦСН3-7-5-1 | В кокиль В землю | Арматура, работающая в морской и пресной воде, маслах и других слабокоррозионных средах, антифрикционные детали. | |||
| БрОЦС3-12-5 | В кокиль В землю | Арматура, работающая в пресной воде и парах под давлением до 25кг/см2 (может быть использована для антифрикционных деталей) | |||
| БрОЦС5-5-5 | В кокиль В землю | Антифрикционные детали | |||
| БрОЦС4-4-17 | В землю | Антифрикционные детали | |||
| БрОЦС3,5-7-5 | В кокиль В землю | Антифрикционные детали |
Таблица – Бронзы оловянные деформированные
| Марка | Вид Литья | Механические свойства | Примерное назначение | ||
| σb, Mн/м2 | δ, % | НВ | |||
| БрОЦС4-4-4 | Мягкий | Ленты и полосы для прокладок во втулках и подшипниках | |||
| БрОФ7-0,2 | Мягкий | Ленты, полосы, проволока для пружин, прутки, подшипниковые детали | |||
| БрОФ 6,5-0,4 | Мягкий Твердый | 7,5 | Проволока для металлических сеток в целлюлозно- бумажной промышленности | ||
| БрОФ4-0,25 | Мягкий Твердый | Трубки различных размеров, применяемые в производстве контрольно-измерительных приборов |
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №3
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1. Изучить диаграмму состояния железо-углерод.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. Ознакомиться с диаграммой состояния железо-углерод.
2. Ознакомиться с построением кривых охлаждения отдельных сплавов системы железо-углерод..
3. Оформить отчет к работе.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Компоненты и фазы в сплавах железа с углеродом
Железо - металл сероватого цвета. Температура плавления - 1539 °С. Железо
имеет две полиморфные модификации α, γ и δ. Модификация α существует при температурах ниже 911 °С. Кристаллическая решетка α-железа - объемно
центрированный куб (ОЦК) с периодом решетки 0,28606 нм. Плотность α-железа 7,68Мг/м3 . Вторая модификация γ-железо (Feγ) существует при температуре 911 - 1392 °С. Кристаллическая решетка - гранецентрированная кубическая (ГЦК) с периодом 0,3645нм. В интервале 1392 - 1539 °С существует δ-железо с кристаллической решеткой объемно центрированного куба (ОЦК) с периодом решетки 0,293 нм.
Углерод - неметаллический элемент II периода IV группы периодической
системы, атомный номер 6, плотность 2,5 Мг/м3 , температура плавления 3500 °С, атомный радиус 0,077 нм. В обычных условиях углерод находится в виде модификации графита, но может существовать в виде алмаза.
В системе железо - углерод различают следующие фазы: жидкий расплав,
твердые растворы – α-феррит, δ-феррит и аустенит, а также цементит и графит.
Феррит (Ф) - твердый раствор углерода и других примесей в ОЦК-железе. Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, где помещается сфера радиусом 0,031 нм, а также в дефектах кристаллической решетки. Предельная растворимость углерода в α-феррите 0,02% при температуре 727 оС и менее 0,01% при комнатной температуре, растворимость в δ –феррите - 0,1 %. Под микроскопом феррит
выявляется в виде однородных полиэдрических (многогранных) зерен. Твердость и прочность феррита невысоки (σb=250 МПа, НВ =800 МПа).
Аустенит (А) - твердый раствор углерода и других примесей в γ-железе.
Предельная растворимость углерода в γ-железе - 2,14 % при температуре 1147оС и 0,8% при 727 оС. Атом углерода располагается в центре куба, в котором может разместиться сфера радиусом 0,051 нм, и в дефектных областях кристалла.
Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом - карбид железа
Fe3C, содержащий 6,67% С. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления цементита точно не определена (около I260°С). К характерным особенностям цементита относятся высокая твердость (НВ - 8000 МПа) и очень малая пластичность (δ около 0%).
Графит (Гр)имеет гексагональную слоистую кристаллическую решетку.
Межатомные расстояния в слоях небольшие (0,142 нм), расстояние между плоскостями - 0,340 нм. Графит мягок, обладает низкой прочностью.
Содержание отчета
Отчет по работе должен содержать следующий материал:
1) Диаграмму состояния Fe - C (в масштабе).
2) Кривые охлаждения сплавов согласно диаграммыFe - C.
9. Контрольные вопросы
1) Общая характеристика диаграммы Fe - C..
2) Назовите области диаграммы (однофазные и двухфазные).
3) Назовите фазы в диаграмме и охарактеризуйте каждую из них.
4) В каких состояниях может находиться углерод в железоуглеродистых сплавах ?
5) Объясните, как определяется состав и количество фаз в диаграмме.
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 4
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.
Сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02% С, называют техническим
железом.
Сплавы железа с углеродом при содержании углерода от 0,02 до 2,14% носят название сталей (от 0,02 до 0,8% - доэвтектоидные стали, от 0,8 до 2,14 % - заэвтектоидные стали).
Сплавы железа с углеродом , содержащие от 2,14 до 6,67 %С называются чугунами (от 2,14 до 4,3 % С – доэвтектические, от 4,3 до 6,67 %С - заэвтектические чугуны).
Содержание отчета
Отчет по работе должен содержать следующий материал:
1) График зависимости механических свойств стали от содержания углерода.
2)' Схему отжига белого чугуна на ковкий чугун.
3) Микроструктуры углеродистых сталей и чугунов.
9. Контрольные вопросы:
1) Расскажите о классификации сталей.
2) Влияние углерода на механические свойства сталей.
3) Структура, свойства, маркировка и применение конструкционных углеродистыхсталей.
4) Структура, свойства, маркировка и применение углеродистых инструментальныхсталей.
5) Белый чугун (структура, механические свойства, маркировка и применение).
6) Серый чугун (структура, механические свойства, маркировка,и применение).
7) Высокопрочный чугун (структура, механические свойства, маркировка, получение иприменение).
8) Ковкий чугун (структура, механические свойства, маркировка, получение иприменение).
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА № 5
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.
Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 %С и затвердевающие с образованием эвтектики, называемой ледебуритом.
Чугун отличается от стали составом (более высоким содержанием углерода), лучшими литейными качествами, малой величиной пластической деформации. Чугун дешевле стали. Благодаря сочетанию высоких литейных свойств (жидко текучести, температуры плавления), достаточной прочности и износостойкости, а также относительной дешевизне чугуны получили широкое распространение в машиностроении. Их используют для производства качественных отливок сложной формы.
В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в этих сплавах, различают белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны.
Белый чугун
Белыми называют чугуны, у которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. При цеховой температуре структура белого доэвтектического чугуна состоит из ледебурита, перлита и вторичного цементита (рис.3.10 а).
Ледебуритная составляющая на металлографическом шлифе имеет вид светлых цементитных полей с равномерно расположенными на них относительно мелкими темными перлитными участками. Перлит занимает также крупные темные области. Вторичный цементит часто виден в виде светлых выделений по границам перлитных областей, а частично сливается с цементитом ледебурита.
Эвтектический белый чугун имеет в своей структуре один ледебурит .
Из-за большого количества цементита белые чугуны тверды (HB 4500 -5500 МПа),
хрупки и для изготовления деталей машин почти не используются.
Ограниченное применение имеют отбеленные чугуны (отливки из серого чугуна с
поверхностным слоем белого чугуна). Из них изготавливают прокатные валки, лемеха
плугов, тормозные колодки, вагонные колеса и др. детали, работающие в условиях износа. Белый чугун используется также как передельный для получения с помощью графитизирующего отжига ковкого чугуна.
Микроструктура белого чугуна х725
а – доэвтектический, б – эвтектический белый чугун
Рис.3.10.
Серый чугун
Серыми называют чугуны, у которых весь углерод или часть его присутствует в
свободном состоянии в форме графита. Термины: белый и серый чугуны связаны с видом излома, определяемым наличием либо светлых кристаллов цементита, или темных кристаллов графита. Графит имеет практически нулевую прочность и пластичность. Он обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость резанием, высокие антифрикционные свойства вследствие низкого коэффициента трения, а также способствует гашению вибрации и резонансных колебаний. Кроме того, графит способствует при охлаждении отливки некоторому увеличению ее объема, чем обеспечивается хорошее заполнение формы.Вместе с тем, включения графита снижает прочность и пластичность, т.к. нарушают сплошность металлической основы сплава.
В зависимости от формы графита различают:
- обыкновенный серый чугун (графит пластинчатой формы),
- высокопрочный чугун (графит сферической формы)
- ковкий чугун (графит хлопьевидной формы).
Обыкновенный серый чугун - это сплав сложного состава. Химический состав
серого чугуна колеблется в пределах: 3,2 -3,8 %С, 1 -5 %Si, 0,5 - 0,9 % Мп, 0,2 - 0,4 % Р, до 0,12 %S. Факторами, способствующими графитизации (выделению углерода в свободном состоянии), являются низкая скорость охлаждения и наличие в химическом составе чугуна графитизирующих элементов Si, Ni, Cu (препятствуют графитизацииMn, S, Cr, W). Практически, изменяя в чугуне содержание кремния при постоянном количестве марганца, получают различную степень графитизации.
На свойства серого чугуна оказывают большое влияние вид графитовых включений, их размеры, характер металлической основы. От формы и количества графита зависит прочность и пластичность чугуна (от 0,5% относительного удлинения при пластинчатой форме графита до 20% - при шаровидной форме). Вытянутые пластинки графита фактически являются трещинами в металлической основе и сильными концентраторами напряжений, на их концах при приложении нагрузки напряжения быстро достигают разрушающих величин. Твердость и износостойкость чугунов растет с увеличением перлита в металлической основе серого чугуна (различают чугуны с ферритной, феррито-перлитной и перлитной основой).
Обыкновенный серый чугун является одним из важнейших литейных машиностроительных материалов и характеризуется высокими литейными и удовлетворительными механическими свойствами, хорошей обрабатываемостью резанием, высокой износостойкостью, нечувствительностью к поверхностным дефектам.
Согласно ГОСТ 1412-85 установлены марки отливок из серого чугуна.
Серый чугун маркируется буквами СЧ и двузначным числом, показывающим минимальное значение предела прочности на растяжение.
Например, у чугуна марки СЧ25 временное сопротивление при растяжении σb = 250 МПа; твердость НВ = 1800 - 2500 МПа и структура металлической основы - феррит + перлит.
Ферритные и феррито-перлитные серые чугуны СЧ10, СЧ15, СЧ18 используют для
слабо- и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, корпуса редукторов
Перлитные серые чугуны СЧ21, СЧ25 применяют для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоки цилиндров, картеры двигателей, поршни цилиндров, станины станков и пр.
Перлитные модифицированные серые чугуны СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 обладают наиболее высокими механическими свойствами. Их применяют при высоких нагрузках:
зубчатые колеса, гильзы двигателей, шпиндели, распределительные валы и пр. Структура модифицированных чугунов - перлитная основа с небольшим количеством изолированных пластинок графита.
Высокопрочный чугун
Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают модифицированием магнием, церием, иттрием, которые вводят в жидкий чугун в количестве 0,02-0,08%.
По структуре металлической основы высокопрочный чугун может
быть ферритным (допускается до 20% перлита) или перлитным (допускается до 20% феррита). Шаровидный графит является более слабым концентратором напряжений, чем пластинчатый графит, поэтому меньше снижает механические свойства чугуна. Высокопрочный чугун обладает более высокой прочностью и некоторой пластичностью.
Маркируют высокопрочные чугуны по ГОСТ 7293-85 буквами ВЧ и двузначным числом, показывающим минимальное значение предела прочности на растяжение в десятках мегапаскалей.
Например, высокопрочный чугун ВЧ 40 имеет временное сопротивление при
растяжении 400 MПa, относительное удлинение - не менее 10%, твердость НВ = 1400-2200МПа, структура перлита-ферритная.
Маркировка по предшествующему ГОСТу 7293-79 предусматривала дополнительное указание относительного удлинения в процентах,
например, ВЧ 40-10.
Обычный состав высокопрочного чугуна: 2,7-3,8%С; 1,6-2,7%Si; 0,2-0,7%Мn; ≤
0,02%S; ≤ 0,1%Р.
Из высокопрочных чугунов изготавливают прокатные валки, кузнечно-прессовое оборудование, корпуса паровых турбин, коленчатые валы и другие ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.
Ковкий чугун
Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Их получают путем специального графитизирующего отжига (томления) отливок из белых доэвтектических чугунов. Отливки загружают в специальные ящики, засыпают песком или стальными стружками для защиты от окисления и производят нагрев и охлаждение по схеме. При температуре 950 -1000°С происходит графитизация эвтектического и избыточного цементита (превращение метастабильного цементита в стабильный графит и аустенит). При второй выдержке при температуре 720 - 740°Сграфитизируется цементит образовавшегося перлита (иногда вместо выдержки проводят медленное охлаждение от 770°С до 700°С в течение 30 часов, при этом происходит кристаллизация по стабильной диаграмме с выделением углерода в свободном состояни