«МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ по теме МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ МДК.01.01. Разработка нефтяных и газовых месторождений для специальности 131018 Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений по теме ...»

Министерство образования Республики Башкортостан

Государственное автономное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

Нефтекамский нефтяной колледж

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

И КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

по теме МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

МДК.01.01. Разработка нефтяных и газовых месторождений

для специальности 131018 Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений по теме МАТЕРИАЛЫ В НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ МДК.01.01. Технология бурения нефтяных и газовых скважин для специальности 131003 Бурение нефтяных и газовых скважин г. Нефтекамск, 2012г.

РАССМОТРЕНО УТВЕРЖДАЮ

на заседании цикловой Зам.директора по УР комиссии нефтяных дисциплин Ф.А. Бадикшина Председатель комиссии М.А. Шестернева «»2012г.

Протокол № «»_2012г.

Составитель преподаватель ГАОУ СПО ННК высшей категории: Иваненко С.Н.

РЕЦЕНЗИЯ

На программу, методические указания и задания контрольной работы для студентов-заочников нефтяных колледжей и техникумов:

специальности 131018 Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений по теме «Материаловедение»

специальности 131003 Бурение нефтяных и газовых скважин по теме «Материалы в нефтяной промышленности»

составленную преподавателем ННК Иваненко С.Н.

Программа и методические указания разработаны на основе Федерального государственного образовательного стандарта по специальности среднего профессионального образования (далее – СПО) 131018 Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений (базовой подготовки) и 131003 Бурение нефтяных и газовых скважин.

При составлении программы и методических указаний требования к знаниям и умениям, тематика раздела и содержание тем были составлены по программе профессионального модуля. При составлении программы и методических указаний учтены особенности регионального компонента. Основой для самостоятельного изучения предусмотрена основная и дополнительная литература, а также краткие теоретические сведения в данных методических указаниях.

Программа и методические указания создадут базовые знания для последующего изучения профессиональных модулей, готовят техника к профессиональной деятельности, учитывают современные направления научноисследовательских работ, в том числе по региону в области изучения материалов и разработки технологий.

Программа может быть использована для подготовки техников по специальности 131018 Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений по теме «Материаловедение» и 131003 Бурение нефтяных и газовых скважин по теме «Материалы в нефтяной промышленности»

_ _ / / Председатель цикловой комиссии нефтяных дисциплин ННК /Шестернева М.А./ Выписка из протокола №_от _ заседания цикловой комиссии нефтяных дисциплин ННК Зам. директора по учебной работе Нефтекамского нефтяного колледжа /Бадикшина Ф.А./ I. ВВЕДЕНИЕ.

Программой предмета "Материаловедение" предусматривается изучение студентами свойств, областей применения, способов получения материалов, применяемых в машиностроении. Наука “Материаловедение” устанавливает базовые знания для получения профессиональных знаний и умений.

Результатом освоения программы темы является овладение обучающимися профессиональными (ПК) и общими (ОК) компетенциями:

Код Наименование результата обучения Выбирать оптимальный вариант проводки глубоких и сверхглубоких скважин в различных горно-геологических Выбирать способы и средства контроля технологических Решать технические задачи по предотвращению и ликвидации Проводить работы по подготовке скважин к ремонту;

осуществлять подземный ремонт скважин Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

Использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности.

Работать в коллективе и команде, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.

Брать на себя ответственность за работу членов команды, Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации.

Ориентироваться в условиях частой смены технологий в профессиональной деятельности.

Исполнять воинскую обязанность, в том числе с применением полученных профессиональных знаний (для юношей).

С целью овладения указанным видом профессиональной деятельности и соответствующими профессиональными компетенциями обучающийся в ходе освоения профессионального модуля должен:

определять свойства конструкционных и строительных материалов;

осуществлять выбор материалов при сооружении и ремонте трубопроводов и хранилищ.

строение и свойства материалов;

маркировку материалов;

методы исследования строения, структуры и свойств материалов;

классификацию металлов и сплавов;

классификацию неметаллических материалов;

методы термической и химико-термической обработки металлов и сплавов основы технологических методов обработки материалов.

Учебная дисциплина "Материаловедение" базируется на знаниях и умениях, полученных при изучении дисциплин "Химия", "Физика", "Инженерная графика", и д.р. В ней рассматриваются: структура, строение и свойства материалов, области применения материалов, содержания работы нормативных документов для выбора материалов.

В свою очередь "Материаловедение" является базой для последующего изучения профессиональных модулей, готовит техника к профессиональной деятельности При изучении учебного материала необходимо соблюдать единство терминологии обозначений в соответствии с действующими стандартами, международную систему единиц (СИ), обращать особое внимание на значение стандартизации, ее экономическую эффективность и роль в повышении качества продукта. В процессе изучения учебного материала следует обращать внимание на вопросы техники безопасности.

При изучении материаловедения необходимо постоянно обращать внимание на прикладной характер науки, видеть, где и когда изучаемые теоретические положения и практические умения могут быть использованы в будущей практической деятельности.

Освоение дисциплины предполагает практическое осмысление ее разделов и тем на лабораторных и практических занятиях, в процессе которых студент должен закрепить и углубить теоретические знания, приобрести необходимые умения.

Рекомендуемое количество часов на освоение программы дисциплины обязательной аудиторной учебной нагрузки (лекции) – 8 часов;

лабораторных и практических работ – 10 часов;

контрольная работа №1;

экзамен.

II. ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

Примерная программа дисциплины.

Наименование Содержание учебного материала, Лабораторные разделов профес- занятия и практические занятия, самостоятельная сионального модуля работа обучающихся, курсовая работ (проект) (ПМ), междисциплинарных курсов (МДК) и тем Технология бурения нефтяных и газовых скважин.

Материаловедение Введение Глава 1. Основы материаловедения.

Строение материалов.

Формирование структуры вторичная, гомогенная и гетерогенная. Кристаллическое материалов.

зерно. Модифицирование. Дендрит. Кривые охлаждения чистых металлов. Степень переохлаждения металла.

Свойства упругость, твердость, ударная вязкость, хрупкость, материалов.

усталость, выносливость, ползучесть, износостойкость.

сплавов.

механических смесей, химических соединений. Правило Классификация Fe-Cсплавов. Определение структурных составляющих железоуглеродистых сплавов: феррит, Углеродистые стали.

свойства. Классификация сталей. Углеродистые стали обыкновенного качества, качественные, автоматные и инструментальные. Принцип маркировки, свойства, Чугуны.

Термическая обработка металлов.

мартенсит. Структуры доэвтектоидных, эвтектоидных и использованием нормативных документов и Интернета.

Глава 2. Металлические конструкционные материалы, машиностроении.

Легированные стали.

специального назначения, инструментальные, стали с Цветные металлы и сплавы.

характеристика алюминиевых сплавов: деформируемые, Глава 3. Неметалллические материалы.

Пластмассы.

Композиционные пластмассы: полиэтилен, полистирол, полихлорвинил, материалы.

Резины, керамика, Классификация резин. Применение резино-технических стекло.

Строительные, прокладочные, уплотнительные, и вещества. Искусственные материалы: кирпич, бетон, набивочные изоляционные материалы.

гидроизоляционные (битумы, мастики, рубероид, толь).

Глава 4.

Технологические методы обработки материалов.

Технологические процессы получения деталей процесс получения отливок. Строение литейной формы.

заготовок машин.

Классификация способов литья: литье в песчаноглинистые формы, специальные виды литья.

Обработка металлов резанием.

Процессы формирования разъемных неразъемных соединений.

Общие методические указания к выполнению и оформлению 1. Учебный материал следует изучать систематически, в той последовательности, которая дана в программе. Переходить к изучению следующей темы можно только тогда, когда предшествующий материал полностью усвоен.

2. Учебный материал в методических указаниях систематизирован и разделен на 10 глав. По итогам изучения каждой главы каждому студенту (в соответствии с вариантом) предлагается по три задания (одно теоретическое и два особой формы).

Таким образом, студент получает по 30 заданий.

3. Указания по выполнению заданий контрольной работы.

1) Теоретические задания подразумевают ответ на поставленный вопрос.

Ответ должен быть правильным, полным, но лаконичным и чётким.

2) Задания особой формы – короткие задания в виде тестов закрытой и открытой формы, последовательностей, соответствий или задач. Ответы на такие задания не подразумевают теоретических описаний и объяснений.

Примеры выполнения заданий особой формы:

А) Задания по выбору нескольких правильных ответов.

Задание 2.36. Из перечисленных веществ выберите те, которые плавятся в интервале температур: 1) свинец, 2) олово, 3) стекло, 4) медь, 5) янтарь.

Б) Тесты открытой формы. В многоточье вставьте правильный ответ.

Задание 2.22. В решетке ОЦК находится … (9) атомов.

В) Тесты закрытой формы. Могут иметь 1, 2, 3 правильных ответа.

Задание 3.41. В каком ответе правильно указаны факторы, сопровождающие наклёп металла:

А) увеличились пластичность; снизились твёрдость;

Б) увеличилась твердость; высокая пластичность;

В) низкая прочность; низкая пластичность;

Г) высокая прочность; низкая пластичность.

Правильный ответ: г.

Г) Задания на установление правильной последовательности процессов, сравнительных свойств и т.п.

Задание 4.19. Расположите следующие стали - 15, 80, 10, У7, У13 в порядке увеличения прочности.

Ответ: 10, 15, У7, 80, У13.

Д) Задание на соответствие.

Задание 8.30. Установите соответствие между названием сплава и его химическим составом. 1. Латуни. 2. Бронзы. 3. Силумины.

а) Cu-Sn; б) Cu-Zn; в) Al-Si.

Соответствие: 1 – б, 2 – а, 3 – в.

В случае длинных формулировок заданий, ответы могут выглядеть в кратком виде, например: 8.30. Соответствие: 1-б, 2 – а, 3 – в.

4. Контрольная работа выполняется:

1) или рукописно в тетради, с оставленными для рецензии полями в 3 см;

2) или на листах формата А4 на одной стороне листа (межстрочный интервал – полуторный; шрифт: черный, «Times New Roman», размер – 14; абзац:

выравнивание «по ширине», отступ красной строки одинаковый по всему тексту).

Размеры полей страницы: правое — 30 мм, верхнее, и нижнее, левое — 15…20 мм.

Страницы нумеруются.

5. В конце контрольной работы должен быть список литературы, которой пользовались при выполнении контрольной работы.

6. Выполненную работу учащийся сдаёт в колледж для проверки. После получения работы необходимо ознакомиться с рецензией, сделать все исправления, дополнения, изменения. Работа над ошибками проводится в той-же работе после рецензии.

7. Критерии оценки контрольной работы. Каждое задание оценивается в балла, в зависимости от правильности и полноты ответа. Таким образом, студент за правильно выполненную работу набирает максимум 90 баллов.

1) Работа «зачтена» при накоплении 75% баллов, т.е. более 67 баллов.

2) Работа «условно зачтена» при накоплении 50-75% баллов, т.е. 45-67 баллов.

Выполняется работа над ошибками.

3) Работа «не зачтена» при накоплении менее 50% баллов, т.е. менее баллов. Работа возвращается для переделки.

4) Работа, выполненная не по данному варианту, возвращается без проверки.

III. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ, РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

И ЗАДАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ГЛАВ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ.

Основная.

1. Никифоров В.М. Технология металлов и других конструкционных материалов. – учеб. для техникумов.–8-е издание. СПб. Политехника 2006 г – 382 с.

2. Кузьмин Б.А. Технология металлов и конструкционные материалы. – 3. Адаскин А. М., Зуев В.М. Материаловедение (металлообработка). – М.:

ПрофОбрИздат, 2001. – 240 с.

4. Архипов К.И, Рафиков С.Ф. Материаловедение, 2003 – 188 с.

Дополнительная.

5. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – М.: Металлургия, 2005.

– 528 с.

Методические указания по главам учебного материала, краткая теория и задания по выполнению контрольной работы.

Глава 1. Общие сведения о науке «Материаловедение» и классификации Методические указания.

Задачи предмета, его связь с другими специальными предметами, достижения науки о материалах и перспективы ее развития изложены в рекомендуемой литературе: [1], Введение; [3], Введение; [4], Введение.

Характерные свойства металлов и неметаллов в полной мере описаны в [1], тема «Общие сведения». Для выполнения задач по обозначению химических элементов потребуется таблица «Периодическая система Менделеева».

Задания, направленные на изучение региональных особенностей развития материаловедения, рекомендуется выполнять, используя периодические издания, СМИ и Интернет-ресурсы. Работая с Интернет-ресурсами можно ориентироваться на сайты по запросу: «промышленность Башкортостана».

Краткая теория.

Материаловедение — наука, изучающая состав, строение и свойства материалов, устанавливающая связь между составом, строением и свойствами и разрабатывающая пути воздействия на свойства материалов.

Теоретическими основами металловедения являются такие науки, как кристаллография, физика твердого тела, физическая химия.

На металловедение опираются такие научные дисциплины, как общая металлургия, технология металлов, коррозия металлов, теория прочности и др.

Материаловедение тесно связано с такими науками, как электротехника, техническая механика, термодинамика.

Материаловедение — одна из важнейших, приоритетных наук, определяющих технический прогресс.

Внедрение новых материалов и технологий позволяют снизить материалоемкость, повысить прочность, надежность и экономичность изделий, а также решить какие-то проблемы, неразрешимые ранее.

Например: внедрение полимеров или композиционных материалов позволяет экономить дефицитные металлы; применение новых сплавов (нитинол, мартенситостареющие сплавы) позволяет решить технические вопросы, неразрешимые ранее; теплостойкие стали повышают долговечность механизмов при высоких температурах, на замену чугунных и стальных труб пришли цементные и асбоцементные и т.д.

Применение металлов определяется их распространенностью в природе, потребностью и развитием техники.

Материалы своевременно дали названия эпохам: каменный, бронзовый, железный век.

НТП стимулирует ученых на использование новых металлов и создание сплавов с необходимыми свойствами.

Например: развитие авиации - рост производства алюминия и его сплавов;

развитие электротехники - применение меди и вольфрама; военная техника магний и прочные легированные стали; сверхзвуковая авиация и создание космических аппаратов - выплавка титана. Полимеры применяют в машиностроении, химической и пищевой промышленности и ряде других областей.

Компьютерные технологии требуют материалы с особыми электрическими свойствами.

В РБ вопросами материалов занимается Академия Наук РБ.

До I мировой войны в Башкирии действовало 2 небольших металлургических завода, суконная и бумажная фабрика. По природному и промышленному потенциалу РБ занимает III место в Уральском регионе.

Машиностроительный комплекс – наиболее быстро развивающийся и перспективный. В нем сосредоточено около 130 предприятий, относящихся к отраслям машиностроения и металлообработки. Например: Стерлитамак – станкостроение, камбайностроение, Нефтекамск – автомобилестроение, Учалы – лесозаготовительное машиностроение, Кумертау – вертолетостроение.

Большая часть их обслуживает горную промышленность.

Используемые материалы классифицируют:

1. По применению: конструкционные (применяемые для изготовления различных деталей и конструкций в соответствии с их механическими свойствами) и электротехнические (характеризуемые определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемые в технике с учетом этих свойств).

2. По природе происхождения: металлические и неметаллические.

Под металлами в технике понимают вещества, обладающие металлическим блеском, высокими пластичностью, тепло- и электропроводностью, прочностью.

Отмеченные свойства обусловлены электронным строением металлов.

Металлы делятся по свойствам на черные и цветные.

Черные металлы имеют темно-серый цвет, большую плотность, высокую температуру плавления, относительно высокую твердость и во многих случаях обладают полиморфизмом. Их часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответствующих сплавов. Черные металлы можно подразделить следующим образом:

1. Железные металлы — железо, кобальт, никель марганец.

2. Тугоплавкие металлы, Тпл выше, чем железа (выше 1539° С). Титан, ванадий, хром, цирконий, ниобий, молибден, технеций, гафний, тантал, вольфрам, рений.

3. Урановые металлы — актиноиды, применяют в сплавах для атомной энергетики. (Актиноиды с 89 – 103 элементы ПСМ – например - уран, нептуний, плутоний, кюрий, менделевий, лоуренсий и др).

4. Редкоземельные металлы (РЗМ) — лантаноиды – например - лантан, церий, неодим, празеодим и др. иттрий и скандий. В природных условиях они встречаются вместе и вследствие трудностей разделения на отдельные элементы для присадки обычно применяют «смешанный сплав», так называемый мишметалл.

5. Щелочноземельные металлы – литий, натрий, калий, кальций, рубидий, стронций, цезий, барий, франций, радий. (Теплоносители в атомных реакторах.) Цветные металлы имеют характерную окраску: красную, желтую, белую.

Обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления, для них характерно отсутствие полиморфизма. Цветные металлы подразделяются на:

1. Легкие металлы — бериллий, магний, алюминий, обладающие малой плотностью.

2. Благородные металлы — серебро, золото, медь, металлы платиновой группы (платина, палладий, иридий, родий, осмий, рутений). Обладают высокой устойчивостью против коррозии.

3. Легкоплавкие металлы — цинк, кадмий, ртуть, олово, свинец, висмут, таллий, сурьма, галлий, германий.

Контрольные вопросы.

1. Что изучает наука «Материаловедение». 2. На какие группы классифицируют материалы? 3. На какие группы классифицируют металлы? 4.

Пять отличительных признаков металлов (от неметаллов). 5. Какими химическими символами обозначают основные применяемые металлы и неметаллы?

Задания для выполнения контрольной работы по главе №1.

Теоретические задания.

1. Что изучает наука «Материаловедение». В чем вклад науки в научнотехнический прогресс?

2. Как классифицируют материалы по происхождению. К какой из этих групп можно отнести алюминий, резину, чугун и 3. Как классифицируются материалы по природе происхождения? Какие свойства отличают металлы от неметаллов?

4. Какие свойства металлов обусловлены металлическим типом связи?

5. Какие свойства характерны черным металлам, какие – цветным?

6. На какие группы делятся черные металлы? Приведите примеры.

Применение этих металлов.

7. На какие группы делятся цветные металлы? Приведите примеры.

Применение этих металлов.

8. Какие цветные металлы наиболее широко применяются в технике?

Приведите примеры отраслей техники, в которых цветные металлы имеют преимущественное применение.

9. Как классифицируют неметаллы. В чем основное отличие между этими группами. Приведите по три примеры для каждой группы.

10. Из перечисленных химических элементов назовите сначала металлы, а затем неметаллы: алюминий, вольфрам, бром, водород, гелий, железо, золото, йод, кальций, кислород, кобальт, магний, медь, натрий, олово, платина, сера, серебро, титан, углерод, фосфор, фтор, хлор, хром, цинк.

11. Из перечисленных материалов назовите сначала металлы, а затем неметаллы: алюминий, чугун, керамика, сталь, железо, бронза, латунь, ртуть, углепластик, нитинол, поливинилхлорид, оргстекло, кварцевое стекло, текстолит.

Приведите примеры материалопотребности некоторых отраслей промышленности (нефтяной, автомобильной).

13. Приведите примеры, когда внедрение новых материалов и технологий позволяет снизить себестоимость изделий и конструкций.

14. Приведите примеры, когда внедрение новых материалов и технологий позволяет решить какие-то проблемы, стоявшие перед учеными раньше, но невозможные к выполнению.

15. Приведите примеры, когда внедрение новых материалов и технологий позволяет повысить прочность и надежность изделий и конструкций.

Задания особой формы.

16. Напишите химические обозначения следующих элементов: кальций, хром, цирконий, кобальт, радий.

17. Напишите химические обозначения следующих элементов: молибден, олово, галлий, барий, магний.

18. Напишите химические обозначения следующих элементов: алюминий, титан, медь, лантан, индий.

19. Напишите химические обозначения следующих элементов: железо, углерод, кремний, марганец, медь.

20. Напишите химические обозначения следующих элементов: сера, титан, никель, магний, алюминий.

21. Напишите химические обозначения следующих элементов: углерод, вольфрам, ванадий, серебро, золото.

22. Напишите химические обозначения следующих элементов: фосфор, титан, алюминий, цинк, бериллий.

23. Напишите химические обозначения следующих элементов: железо, марганец, магний, серебро, золото.

24. Назовите обозначенный элемент: Fe, Ti, Mg, Mn, V.

25. Назовите обозначенный элемент: Si, P, S, Al, Ni.

26. Назовите обозначенный элемент: Cu, Ag, C, Zn, Be.

27. Назовите обозначенный элемент: Co, W, U, Pb, K.

28. Назовите обозначенный элемент: Na, Ca, Li, Zr, Cr.

29. Назовите обозначенный элемент: Nb, Ce, Pd, Pt, Cd.

30. Назовите обозначенный элемент: Mn, Al, Zn, Li, Be.

Приведите пример какого-либо промышленного предприятия республики Башкортостан, осуществляющего производство или обработку материала, указанного в варианте задания. Укажите особенности выпускаемой или обрабатываемой продукции.

33. медные сплавы;

34. пластмассы (полиэтилен, полистирол);

35. неорганическое стекло;

36. синтетический каучук, резины;

37. древесина;

38. синтетическая ткань;

39. цемент;

40. композиционные пластмассы;

41. искусственные кожи;

42. химические реагенты;

43. бумага;

44. строительная керамика;

45. лаки, краски.

Методические указания.

Особенности кристаллического строения, характеристики основных кристаллических решеток и свойства, характерные кристаллическим телам (аллотропия и анизотропия) очень подробно и доступно описаны в следующей литературе: [1], гл.1; [2], гл.1, §§ 1-4.

Краткая теория.

Разнообразные свойства металлов, благодаря которым они широко используются в технике, определяются их строением. Все твердые вещества по взаимному расположению атомов делят на аморфные и кристаллические.

Все твердые вещества по взаимному расположению атомов делят на аморфные и кристаллические.

В аморфных веществах (смолах, кварцевом стекле и др.) атомы расположены беспорядочно, при нагревании аморфные вещества размягчаются и переходят в жидкое состояние в интервале температур и на кривой нагрева не выражен этот переход.

В кристаллических веществах (все металлы и сплавы, многие минералы, соль, алмаз и др.) атомы располагаются закономерно-упорядоченно, образуя атомно-кристаллическую решетку, эти вещества при нагреве переходят в жидкое при определенной температуре плавления.

Если соединить атомы воображаемыми линиями, то они в плоскости образуют атомную сетку, а в пространстве – атомно-кристаллическую решетку.

Каждая кристаллическая решетка состоит из множества элементарных ячеек.

Элементарные ячейки – это пространственные фигуры, определяемые минимальным числом атомов (ионов) и позволяющие путем переноса этих фигур в трех измерениях получить кристаллическую решетку.

Тип (название) кристаллической решетки определяется формой того геометрического тела, которое составляет основу элементарной ячейки.

Характерным линейным размером решетки является расстояние а между двумя атомами, расположенными вдоль одного ребра. Этот линейный размер называется параметром решетки. Расстояния вычисляются в ангстремах (А); 1 А — 10 -8см. Значение параметра решетки а для различных металлов от 0,2 до 0,7 нм ( нм = 10 -9 м).

Известно 14 типов кристаллических решеток. В промышленных металлах наиболее распространенными являются следующие 3 кристаллические решетки (рис.1): ОЦК, ГЦК, ГПУ.

Объемно-центрированная кубическая (ОЦК) решетка (рис.1.1, а). Такую решетку имеют: Fe при температуре до 900 и выше 1400°С, Cr, W, V, Mo, Pb, и другие металлы.

Гране-центрированная кубическая (ГЦК) решетка (рис. 1.1, б). Такую решетку имеют Fe при температуре выше 900°С, Al, Cu, Ni, Ag и другие металлы.

Гексагональная плотноупакованная (ГПУ) решетка имеет форму шестигранной призмы (рис. 1.1, в). Такую решетку имеют Mg, Zn, Ti, Zr, Be другие металлы.

Рис. 1.1. Типы кристаллических решеток.

Особенность расположения атомов в кристаллах, междуатомные расстояния, насыщенность атомами определяют многие свойства металлов: блеск, плавкость, теплопроводность, электропроводность, и др. Например: металлы с решеткой ГЦК, как правило, обладают большей проводимостью. Это связано с тем, что у металлов с плотноупакованной решеткой повышена плотность электронного газа, а следовательно, повышена концентрация основных носителей заряда – свободных электронов.

Жидкие кристаллы - это жидкости с упорядоченной молекулярной структурой. Они занимают промежуточное положение между кристаллами и обычными жидкостями.. Жидкие кристаллы текучи, как обычные жидкости, но в то же время обладают анизотропией свойств, как кристаллы.

В основном применяют некоторые органические вещества, у которых молекулы имеют удлиненную форму. При плавлении таких веществ молекулы располагаются в определенном порядке (выстроены в цепочки; образуют параллельные слои, размещаются по спирали).

Структура жидких кристаллов легко изменяется под действием давления, электрического поля, нагрева. Это явление дает возможность управлять их свойствами путем слабых воздействий и делает жидкие кристаллы незаменимыми материалами в промышленности и электротехнике.

Аллотропия (полиморфизм) — это свойство металлов перестраивать решетку при определенных температурах в процессе нагрева и охлаждения.

Структура, имеющая ту или иную решетку, называется аллотропической формой или модификацией. Различные модификации обозначают греческими буквами,,, т. д. Эти модификации имеют важное практическое значение для термической обработки.

Аллотропия присуща многим металлам: железу, марганцу, никелю, олову, титану и др.

Пример: Аллотропические превращения чистого железа. При нагреве существует: до 768° С - -железо (Fe) магнитное с решеткой ОЦК; 768 - 910°С - железо (Fe) немагнитное с решеткой ОЦК; 910 -1390°С - -железо (Fe) с решеткой ГЦК; 390 - 1539°С - -железо (Fe) с решеткой ОЦК; выше 1539°С - железо в жидком состоянии.

Анизотропия – это неравномерность свойств по разным направлениям в монокристалле.

В любом реальном кристалле всегда имеются дефекты строения, которые подразделяют по геометрическим признакам на группы:

Точечные дефекты – малы во всех трех измерениях и их размеры соизмеримы с размером одного атома. К точечным дефектам относят: вакансии (рис. 1.2, а); внедрения – межузельные атомы; (рис. 1.2, б); замещения – результат присутствия примесей (рис. 1.2, в).

Наличие вакансий предопределяет возможность диффузии, т. е. перемещение атомов в кристаллическом теле на расстояния, превышающие средние межатомные для данного металла.

Если происходит перемещение атомов основного металла в собственной кристаллической решетке, то такой процесс называется самодиффузией, при перемещении инородных атомов в чужой решетке происходит гетеродиффузия.

Диффузионные процессы лежат в основе кристаллизации и рекристаллизации, фазовых превращений и насыщения поверхности сплавов другими элементами.

Линейные дефекты – имеют малые размеры в двух измерениях и их размеры соизмеримы с цепочкой атомов. Этими дефектами могут быть ряд вакансий, ряд межузельных атомов, а также дислокации (рис.1.2. г). Дислокации при приложении небольшого касательного напряжения легко перемещаются, что обеспечивает пластичность металла.

Поверхностные дефекты – имеют малые размеры только в одном измерении и представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами.

(рис. 1.2, д).

Объемные дефекты – нарушения объемности и равномерности плотности металла. К ним относят трещины, поры, усадочные раковины, возникающие в слитке.

Рис. 1.2. Дефекты кристаллического строения. Зерно I — Зерно II Контрольные вопросы.

1. В чем основное различие аморфных и кристаллических веществ? 2. Какие три типа кристаллических решёток наиболее часто наблюдаются в металлах? 3. Что такое аллотропия и анизотропия металлов? 4. Где применяют жидкие кристаллы?

5. Назовите четыре группы дефектов кристаллической решетки. 6. Как происходит диффузия в металлах.

Задания для выполнения контрольной работы по главе №2.

Теоретические задания.

1. Чем характеризуются кристаллические вещества. Приведите 10 примеров кристаллических веществ.

2. Чем характеризуются аморфные вещества. Приведите 10 примеров аморфных веществ.

3. Что такое кристаллическая решетка.

4. Что такое элементарная ячейка.

5. Выполните рисунок и охарактеризуйте строение кристаллической решетки ГЦК. Приведите примеры десяти металлов, имеющих такую решетку.

6. Выполните рисунок и охарактеризуйте строение кристаллической решетки ГПУ. Приведите примеры десяти металлов, имеющих такую решетку.

7. Выполните рисунок и охарактеризуйте строение кристаллической решетки ОЦК. Приведите примеры десяти металлов, имеющих такую решетку.

8. Как расположены атомы в элементарных ячейках хрома и меди? Приведите рисунок и сравните ячейки.

8. Как расположены атомы в элементарных ячейках цинка и меди? Приведите рисунок и сравните ячейки.

9. Изобразите кристаллическую решётку ОЦК с точечными дефектами трёх видов. Опишите, как влияют точечные дефекты на свойства металла.

10. Изобразите дислокации в кристаллической решётке. Опишите, как влияют дислокации на свойства металла.

11. Что такое диффузия и самодиффузия металлов. Каково практическое применение диффузии в промышленности.

12. Что такое аллотропия? Приведите примеры.

13. Что такое анизотропия? Проявляется ли анизотропия во всей металлической детали в целом. Примеры материалов с ярко выраженной анизотропией.

14. В чем различие между строением идеальных и реальных металлов.

Приведите классификацию и краткое описание дефектов строения кристаллов.

15. Что такое жидкие кристаллы. Каково их применение.

Задания особой формы.

16. Атомы в аморфных веществах расположены …, а в кристаллических….

17. Среди металлов наиболее распространены три типа кристаллических решеток: … 18. Аморфные вещества плавятся …, а кристаллические плавятся….

19. Решетка ОЦК расшифровывается: … 20. Решетка ГЦК расшифровывается: … 21. Решетка ГПУ расшифровывается: … 22. В решетке ОЦК находится … атомов, в ГЦК … атомов, в ГПУ …атомов.

23. Наибольшую электропроводность имеют металлы с решеткой … 24. Наибольшие температуры плавления имеют металлы с решеткой … 25. Наименьшие температуры плавления имеют металлы с решеткой … 26. Модификация – это … 27. Fe отличается от Fe (чем) … 28. Ti отличается от Ti (чем)… 29. Zr отличается от Zr (чем)… 30. Дефекты кристаллической решетки делятся на 4 группы: … 31. Из перечисленных веществ выберите те, которые имеют строгоопределенную температуру плавления: 1) свинец, 2) олово, 3) стекло, 4) медь, 5) янтарь, 6) магний, 7) воск, 8) железо, 9) канифоль, 10) титан.

32. Из перечисленных веществ выберите те, которые имеют строгоопределенную температуру плавления: 1) алюминий, 2) битум, 3) кварц, 4) марганец, 5) стекло, 6) парафин, 7) алмаз, 8) вольфрам, 9) серебро, 10) ртуть.

33. Из перечисленных веществ выберите те, которые плавятся в интервале температур: 1) свинец, 2) олово, 3) стекло, 4) медь, 5) янтарь, 6) магний, 7) воск, 8) железо, 9) канифоль, 10) титан.

34. Из перечисленных веществ выберите те, которые плавятся в интервале температур: 1) алюминий, 2) битум, 3) кварц, 4) марганец, 5) стекло, 6) парафин, 7) алмаз, 8) вольфрам, 9) серебро, 10) ртуть.

35. Установите соответствие между металлом и типом его кристаллической решетки: 1) Fe; 2) Fe; 3) Cu; 4)Zn; 5)W; 6) Ti.

36. Установите соответствие между металлом и типом его кристаллической решетки: 1) Fe; 2) Fe; 3) Mg; 4) Сr; 5) Ag; 6) Ti.

37. Определите тип кристаллической решётки перечисленных металлов и на основании этого расположите металлы в порядке возрастания их предполагаемой пластичности: 1) Fe (при комнатной температуре); 2) Сu; 3) Zn.

38. Определите тип кристаллической решётки перечисленных металлов и на основании этого расположите металлы в порядке возрастания их предполагаемой электропроводности: 1) W; 2) Al; 3) Mg.

39. Расположите дефекты кристаллического строения по увеличению их размерных характеристик?

1) объёмные; 2) линейные; 3) поверхностные; 4) точечные.

40. Какие из перечисленных ниже дефектов относятся к поверхностным?

1) границы зёрен; 2) границы субзёрен; 3) дислокации; 5) внедрённые атомы;

6) вакансии, 7) поры.

41. Какие из перечисленных ниже дефектов относятся к линейным?

1) границы зёрен; 2) границы субзёрен; 3) дислокации; 5) внедрённые атомы;

6) вакансии, 7) поры.

42. К каким дефектам можно отнести шлаковые и газовые раковины в отливках?

1) к поверхностным; 2) к объёмным; 3) к точечным; 4) к линейным.

43. Укажите причины появления точечных дефектов в кристаллической решётке.

1) являются следствием несовершенства процесса кристаллизации; 2) образуются вследствие процессов диффузии и самодиффузии атомов и вакансий; 3) вызваны загрязнением металла посторонними атомами.

44. Установите соответствия между группой дефектов и её представителями:

1) точечные дефекты; 2) линейные дефекты; 3)поверхностные дефекты; 4) объёмные дефекты.

а) винтовые дислокации; б) границы зёрен и субзёрен; в) поры, трещины и раковины; г) примесные атомы (внедрения н замещения), вакансии и внедрённые атомы.

45. Какова связь между подвижностью дислокаций, прочностью, пластичностью и вязкостью?

1. Дислокации подвижны. 2. Дислокации заторможены. 3. Дислокации неподвижны.

а) металл прочный, но пластичность и вязкость понижена; б) металл пластичный, ударная вязкость высокая, однако прочность пониженная; в) прочность и хрупкость высокая, пластичность и вязкость низкая.

Глава 3. Формирование структуры материалов. методы исследования Методические указания Превращения, происходящие в процессе кристаллизации и деформирования металла, имеют важное значение, так как в значительной степени определяют свойства металла. Для получения полной информации о составе и строении металлов используют разнообразные методы. При их изучении особое внимание уделите макроскопическому и микроскопическому анализу, подготовке шлифов.

Сущность процессов, происходящих в металлах и методы исследования рекомендуется изучать по литературе: [1], гл.1; [2], гл.1, §§ 5-7; [3], стр. 14.

Краткая теория.

Кристаллизация – процесс образования новой кристаллической решетки в металле. Первичная кристаллизация – это кристаллизация, при которой новые кристаллы образуются в металле при его переходе из жидкого состояния в твердое.

При вторичной кристаллизации новые кристаллы образуются в уже твердом металле, происходит перекристаллизация (пример: аллотропия металлов).

Превращения, происходящие в процессе кристаллизации в значительной степени определяют свойства металла.

При первичной кристаллизации по мере понижения температуры жидкости движение атомов замедляется, атомы сближаются и группируются в кристаллы, образуя зародыши или начальные центры кристаллизации. Далее зародыши растут, соединяются, срастаются, образуя кристаллические зерна. Зерна имеют неправильную форму, но сохраняют правильность строения внутри (рис. 3.1).

Одновременно продолжается образование новых центров.

Таким образом, кристаллизация состоит из двух стадий: образования центров кристаллизации и роста кристаллов вокруг этих центров.

Рис. 3.1. Схема процесса кристаллизации металла Если в качестве зародышей выступают частицы кристаллизующегося металла, то такая кристаллизация называется гомогенной или самопроизвольной (характерна чистым металлам). Если в качестве зародышей выступают чужеродные частицы, то такая кристаллизация называется гетерогенной или несамопроизвольной (характерна сплавам).

Размеры кристаллических зерен влияют на свойства металла. Чем мельче зерно металла, тем выше его прочность, вязкость и пластичность.

Крупнозернистый металл имеет низкое сопротивление удару, при обработке мешает получению требуемого класса шероховатости поверхности.

Чем больше центров кристаллизации и меньше скорость их роста, тем мельче зерна металла.

На практике для получения мелкого зерна используют модифицирование металла – это введение в расплав перед кристаллизацией модификаторов – веществ, которые служат дополнительными центрами кристаллизации (тугоплавкие частицы) или ограничивают рост кристаллов.

Рис. 3.2. Схема роста Рис. 3.3. Строение слитка стали (продольное и кристалла и образования зерна: поперечное сечения): 1 — зона крупных а — отдельный дендрит с равноосных кристаллов; 2 —зона столбчатых осями I, II и III порядка; б — кристаллов; 3 — корковая зона мелких зерно из сросшихся дендритов. кристаллов; 4 — усадочная раковина; 5 — В результате направленного отвода теплоты развиваются разветвленные древовидные кристаллы (рис. 3.2), которые называются дендритами. Дендриты растут в направлении, противоположном отводу теплоты.

Учитывая описанные процессы и условия кристаллизации в слитке металла можно выявить несколько зон. В результате слиток имеет следующее строение (рис. 3.3).

Процессы кристаллизации отображаются кривыми охлаждения (рис. 3.4), которые строятся в координатах температура — время.

На кривой 1 показан идеальный процесс кристаллизации. Сначала температура понижается равномерно — кривая идет вниз. При достижении температуры затвердевания падение температуры прекращается — на кривой образуется горизонтальный участок. Это объясняется тем, что группировка атомов идет с выделением тепла. По окончании затвердевания температура снова понижается.

Практически кристаллизация протекает несколько иначе, так как часто имеет место переохлаждение, т. е. металл при температуре затвердевания остается жидким, и кристаллизация начинается при более низкой температуре. Разница между идеальной и истинной температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения.

Кривая 2 соответствует процессу кристаллизации с переохлаждением. При большой скорости охлаждения степень переохлаждения больше и зёрна мельче.

Рис. 3.4. Кривые охлаждения при кристаллизации: 1—теоретическая кривая кристаллизации металла; 2—фактическая кривая кристаллизации металла с переохлаждением.

Методы изучения строения металлов.

Все свойства металлов и сплавов зависят от их состава и внутреннего строения. Для получения полной информации о составе и строении конструкционного материала используют разнообразные методы.

Макроскопический или макроструктурный анализ проводят визуальным методом или с увеличениями в 5 — 30 раз с помощью обычных и бинокулярных луп. Таким методом изучают изломы отливок, поковок, сварных швов или вышедших из строя деталей машин, а также специально подготовленные макрошлифы или поверхности слитков и деталей. По виду излома заготовки или детали можно судить о способе ее производства, виде термической обработки, о размере зерна или причине поломки, наличии рыхлости, газовых пузырей, усадочных раковин, трещин, неоднородности изделия по структуре.

Микроскопический анализ применяют для исследования микроструктуры металлов и сплавов с увеличением 50 — 2000 раз. Для этого используют световые микроскопы различных конструкций. Объектом исследования служит шлиф, который готовят из специального образца или непосредственно из изделия, подлежащего изучению. Шлиф полируют и протравливают химическими реактивами для выявления особенностей структуры сплава.

При изучении под микроскопом нетравленых шлифов с увеличением 100 — 200 раз можно выявить микротрещины, неметаллические включения и различные мелкие дефекты.

Травленые шлифы обычно изучают при увеличениях 250—1000 раз. При этом изучают форму и размеры зерен, границы между ними, структурные составляющие сплава.

Электронно-зондовые методы разнообразны, наибольшее применение имеют просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), растровая электронная микроскопия (РЭМ), электронография, микрорентгеноспектральный анализ, Ожеспектроскопия. В результате взаимодействия электронов с веществом объекта исследования (образцом) возникают характеристические электронные и рентгеновские спектры, дающие информацию о строении, химическом составе данного вещества и других параметрах электронной структуры.

Рентгеноструктурный и рентгеноспектральный анализ основан на явлении отражения рентгеновских лучей с очень короткой волной от атомов в кристаллической решетке исследуемого объекта. Лучи, отраженные от атомных плоскостей, регистрируются на фотопленке в виде рентгенограмм, которые позволяют вычислить расстояние между атомами в кристаллической решетке и установить их расположение. Снимки сравнивают с эталонными рентгенограммами чистых металлов и получают ответ о химическом составе сплава.

Термический анализ состоит в определении тепловых эффектов и фиксации температур фазовых превращений в сплавах, которые сопровождаются поглощением или выделением теплоты. Исследуемый сплав нагревают и охлаждают с записью диаграмм температура — время. По перегибам и площадкам на диаграммах судят о фазовых превращениях и устанавливают критические точки, т. е. температуры этих превращений.

Дилатометрический метод основан на изменении объема (длины) образца в результате фазовых превращений при его нагреве и охлаждении. Расширение и сжатие образца фиксируется на диаграмме, по которой судят о температурных интервалах тех или иных превращений в сплаве, а также о коэффициенте его теплового расширения и положении критических точек.

Метод электросопротивления основан на том, что сопротивление образца меняется с изменением структуры и фазового состава сплава при температурном воздействии. Электросопротивление измеряют потенциометрическим методом с записью диаграммы в координатах температура — электросопротивление. По перегибам на диаграмме судят о температуре фазовых превращений и о наличии критических точек.

Магнитный метод основан на изменении магнитных свойств сплава с изменением его внутреннего строения при тепловом воздействии в результате перехода из парамагнитного состояния в ферромагнитное и наоборот. Диаграммы намагничивания образца (при различных температурах) в постоянном поле дают информацию о внутренних процессах, происходящих в сплаве.

Метод внутреннего трения основан на изучении необратимых потерь энергии механических колебаний внутри твердого тела. Используя этот метод, можно получить информацию о фазовых и полиморфных превращениях и изменении дислокационной структуры сплава. Кроме этого, можно определить изменение концентрации твердых растворов, распределение примесей и рассчитать коэффициенты диффузии.

Meтод радиоактивных изотопов (меченых атомов) применяют для изучения распределения элементов в сплаве, процессов диффузии, перераспределения элементов в результате трения, пластической деформации и т. д. Радиоактивные элементы могут испускать -, - и -излучение. Все виды излучения вызывают ионизацию вещества, которую фиксируют счетчиками и судят об интенсивности радиоактивного распада. Радиоактивное излучение фиксируется на фотопластине.

Зафиксированное распределение радиоактивного вещества на пластине, находящегося в образце, дает микроавторадиограмму, по которой судят о строении сплава.

Люминесцентный метод. Люминесценцией называют холодное свечение некоторых веществ, вызываемое различными причинами: освещением, электрическим током, химическими процессами. Этим методом можно выявить только поверхностные дефекты, например микротрещины. Деталь, подлежащую контролю, тщательно очищают и погружают в ванну содержащую флюоресцирующий раствор, и выдерживают в нем. Раствор смывают, деталь сушат и облучают ультрафиолетовым светом. При наличии микротрещин проникший в них флюоресцирующий раствор светится и тем самым позволяет их выявить.

Ультразвуковой метод. С помощью ультразвука (с частотой свыше 20 кГц) можно обнаружить мелкие дефекты детали, расположенные очень глубоко. Это объясняется тем, что чем больше частота, тем меньше длина звуковой волны и тем меньший дефект с ее помощью можно обнаружить. Ультразвуковой метод выявления дефектов основан на отражении звуковых волн от дефекта, расположенного внутри металла. Если внутри детали имеется дефект (трещина, раковина и т. п.), то нормальное распространение ультразвуковых волн нарушается. Часть волн отражается от дефекта, возвращается к поверхности и появляется ультразвуковое эхо, которое улавливается датчиком, преобразуется в электрический сигнал, который можно увидеть на экране осциллографа.

Контрольные вопросы.

1. Какие процессы происходят в металле в процессе формирования литой структуры? 2. Как влияет величина зерна на свойства металла? 3. Какие процессы происходят в металле в процессе формирования деформированной структуры? 4.

Положительное и отрицательное влияние наклепа на свойства металла. 5. Назовите разрушающие и неразрушающие методы исследования структуры металлов.

Задания для выполнения контрольной работы по главе №3.

Теоретические задания.

1. Что представляет собой процесс кристаллизации металлов? В чем отличие первичной и вторичной кристаллизации? Что такое рекристаллизация?

2. Какие явления и процессы происходят в металле при первичной кристаллизации?

3. Что такое кристаллические зерна металла и как они образуются? Зарисуйте кристаллические зёрна металла. Укажите на рисунке особенности наружного и внутреннего строения зерна. Укажите на рисунке, как может развиваться направление излома в металле.

4. В чем отличие между гомогенной и гетерогенной кристаллизацией?

Приведите примеры, каким металлам свойственны эти виды кристаллизации.

5. Как влияет величина кристаллического зерна на свойства металлов. Какую величину должны иметь зёрна в ответственных деталях, например, в поршне.

6. Как влияет величина кристаллического зерна на свойства металлов. Какие факторы кристаллизации способствуют получению мелкого зерна в металле.

7. Что такое модифицирование? Как и с какой целью оно проводится? В чем отличие между модификаторами 1 и 2 рода?

8. Что такое дендрит? Как он развивается? Изобразите такой кристалл.

9. Как устроен типичный слиток металла? Зарисуйте строение слитка стали, укажите три зоны. Чем можно объяснить различие размеров зёрен в корковой и центральной части слитка?

10. Что такое степень переохлаждения металла. Как влияет переохлаждение на свойства и структуру металла. Определите степень переохлаждения сурьмы, если её теоретическая температура кристаллизации равна 6310С, а до начала кристаллизации жидкая сурьма была переохлаждена до 5900С, и при этой температуре перешла в твердое состояние.

11. Что такое наклеп металла. Когда он возникает и как влияет на свойства металла?

12. Что такое рекристаллизация?

13. Какими методами можно изучить внутреннюю структуру и строение металлов (опишите 5 методов).

14. Что такое дефектоскопия металлов. Какими методами можно провести дефектоскопию. Опишите 3 метода.

15. В чем различие между макро- и микроструктурой металлов? Какими способами исследуется макроструктура, а какими микроструктура? В чем состоит различие между макро- и микрошлифами?

Задания особой формы.

16. Кристаллизация – это образование… 17. Процесс кристаллизации состоит из двух этапов: … и ….

18. Кристаллическое зерно – это частица металла, которая … 19. Излом металла происходит по направлению … 20. Мелкозернистая структура металла обладает свойствами: … 21. Крупнозернистая структура металла обладает свойствами: … 22. Какая величина кристаллических зерен металла наиболее благоприятна: … 23. Модифицирование – это процесс, … 24. Модификаторы 1-го рода (мелкодисперсные тугоплавкие вещества) при добавлении в металл являются... и зерно получается....

25. Дендрит – это кристалл, который имеет … форму, и растёт в направлении 26. Наклёп – это явление, при котором зерна металла … 27. При наклёпе пластичность металла …, прочность …, твердость … 28. Наклеп металла можно устранить с помощью … 29. По виду излома детали можно судить о: 1 …, 2 …, 3 …, 4 …, 5 ….

30. Шлиф – это образец металла, применяемый при … анализе, который перед исследованием предварительно подвергают …, … и ….

31. Установите соответствие между превращениями вещества с их названиями.

1) Как называется переход из твёрдого состояния в жидкое? 2) Как называется переход из жидкого состояния в газообразное? 3) Как называется переход из жидкого состояния в твёрдое? 4) Как называется переход из газообразного состояния в жидкое?

а) испарение; б) конденсация; в) кристаллизация; г) плавление.

32. Укажите ответ, в котором указаны все стадии, из которых состоит процесс первичной кристаллизации: 1) зарождение начальных центров кристаллизации и их распад; 2) зарождение начальных центров кристаллизации, рост кристаллов вокруг этих центров и их срастание; 3) распад первичных кристаллов и разрушение металла; 4) расслоение кристаллической решетки.

33. Что представляют собой зерна металла:

А) инородные включения и примеси в металле Б) частицы (кристаллы) металла, имеющие правильное внутреннее строение и неправильную внешнюю форму В) частицы (кристаллы) металла, имеющие правильное строение и внутри, и по границам Г) поры, пустоты в металле 34. Как получить мелкое зерно при кристаллизации жидкого металла?

1) размером зерна невозможно управлять; 2) быстро охлаждать металл; 3) медленно охлаждать металл; 4) активно перемешивать металл; 5) модифицировать жидкий металл; 6) увеличить степень переохлаждения при кристаллизации.

35. Из перечисленных факторов кристаллизации выберите те, которые позволяют получить мелкозернистую структуру металла: а) много центров кристаллизации; б) мало центров кристаллизации; в) большая скорость роста центров кристаллизации; г) малая скорость роста центров кристаллизации; д) размером зерна невозможно управлять 36. Установите соответствие.

Какие свойства правильно и полностью характеризуют:

1) крупнозернистую структуру металла; 2) мелкозернистую структуру:

а) высокая прочность; б) высокая пластичность; в) низкое сопротивление удару; г) после обработки высокая шероховатость поверхности; д) высокая вязкость.

37. Из перечисленных факторов кристаллизации выберите те, которые характерны процессу модифицирования: а) введение искусственных зародышей в жидкий сплав; б) модификаторы служат дополнительными центрами кристаллизации; в) модификаторы ограничивают рост кристаллизации; г) получается мелкозернистая структура; д) получается крупнозернистая структура; е) происходит переработка сырья.

38. Установите соответствие.

Какие характеристики правильно и полностью описывают:

1) гомогенную кристаллизацию; 2) гетерогенную кристаллизацию:

а) происходит самопроизвольно; б) в качестве зародышей выступают частицы кристаллизующегося металла; в) в качестве зародышей выступают чужеродные частицы; г) гетерогенная кристаллизация характерна чистым металлам; д) гетерогенная кристаллизация характерна сплавам.

39. Установите соответствие между строением слитка металла и происходящими процессами.

1. Почему в «корке» зёрна мелкие, равноосные, разориентированные? 2.

Почему в зоне «столбчатых дендритов» зёрна крупные, ориентированные перпендикулярно стенкам формы, столбчатые? 3. Почему в «центральной» зоне слитка зёрна крупные, равноосные, разориентированные? 4. Быстрое охлаждение способствует утолщению которой из трёх зон? 5. Толщину какой зоны увеличивает медленное охлаждение?

а) кристаллизация осуществляется с малым переохлаждением и в условиях направленного отвода тепла; б) быстрое охлаждение с большим переохлаждением;

в) зоны столбчатых дендритов; г) центральной зоны; д) медленное охлаждение с малым переохлаждением и в условиях, когда отсутствует направленный отвод тепла; е) корки.

40. Укажите и вычертите правильную теоретическую кривую охлаждения свинца, если его критическая температура 3270 С:

ТС ТС ТС

41. В каком ответе правильно указаны факторы, сопровождающие наклёп (упрочнение) металла:

А) увеличились пластичность, вязкость; снизились твёрдость, прочность;

Б) увеличилась твердость, прочность; высокая пластичность, высокая вязкость;

В) низкая твердость, низкая прочность; низкая пластичность, низкая вязкость;

Г) высокая твердость, высокая прочность; низкая пластичность, низкая вязкость.

42. Укажите ответ, в котором дано правильное объяснение следующему факту: "Почему, в период сенокоса, косарь перед заточкой косы, отбивает её режущий край молотком".

А) отбиваются загрязнения;

Б) металл косы после отбивки становится мягче и пластичнее;

В) на кромке возникает наклёп, что повышает твердость и износостойкость режущей части;

Г) полотно косы изгибается под нужным углом.

43. Укажите, каким способом можно снять наклёп холоднодеформированных медных листов:

1) нагреть медь до температуры рекристализации, Т=325-4350 С; 2) нагреть медь немного выше температуры рекристализации, Т=530-6500 С; 3) нагреть медь немного ниже температуры рекристализации, Т=200-3000 С; 4) нагреть медь до температуры плавления, Т=10830 С.

44. Установите соответствие между методом изготовления болта и его внутренней структурой, изображенной на рисунках. Методы изготовления: 1) литьё; 2) обработка давлением; 3) обработка резанием – точение из прутка.

45. Укажите, какие методы исследования структуры металлов позволяют провести внутреннюю дефектоскопию металла (обнаружить дефекты структуры):

1) магнитный; 2) макроскопический анализ; 3) ультразвуковой; 4) ретгеноструктурный; 5) метод меченых атомов; 6) термический.

Методические указания.

Строение металла обеспечивает и его основные физические, химические, механические и технологические свойства. При изучении указанных свойств необходимо обратить внимание на сущность свойства и на методы исследования свойств материалов.

Материал данной темы подробно изложен практически во всей рекомендуемой литературе. Наиболее подробные и доступные понятия свойств, а также методы их определения описаны в следующей литературе: [1], гл.1; [2], гл.1, §§ 8; [3], стр. 32.

Краткая теория.

Физические свойства металлов: цвет, плотность, удельный вес, температура плавления, тепловое расширение, тепло- и электропроводность, магнитные свойства.

Химические свойства, коррозия.

Технологические свойства: литейные, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием.

Механические свойства: прочность, пластичность, упругость, твердость, ударная вязкость, хрупкость, усталость, выносливость, ползучесть, износостойкость.

Твердость – способность металла сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела. Чем тверже поверхность изделия, тем меньше она будет изнашиваться в процессе эксплуатации.

Твердость определяют на твердомерах путем внедрения в образец специального тела, называемого индентором, с усилием, чтобы в материале остался отпечаток. О величине твердости судят по отпечатку. Наибольшее распространение получили следующие методы испытания на твердость: метод Бринелля (обозначается НВ), Роквелла (HRA, HRB, HRC), Виккерса (HV).

По методу Бринелля (по ГОСТ) в поверхность материала вдавливается закаленный стальной шарик диаметром D = 2,5; 5 или 10 мм, под действием нагрузки Р (Н или кг) и, после снятия нагрузки, измеряется диаметр отпечатка d (мм).

Тогда число твердости по Бринеллю НВ подсчитывается по формулам:

НВ = 2·Р / ((·D·(D – (D2 – d2 ))), если нагрузка Р выражена в кг, НВ = 2·Р / (9,8·(·D·(D – (D2 – d2 ))), если нагрузка Р выражена в Н, где 9,8 - коэффициент перевода единиц измерения нагрузки (1кгс=9,8Н).

Получается, что НВ имеет размерность кгс/мм2, но на практике (по ГОСТ) твердость обозначается только цифрами и латинскими буквами, например 200НВ.

При изменении условий испытаний помимо значений твердости указываются диаметр шарика, усилие и выдержка под нагрузкой. Например: 185 НВ/5/750/20, здесь 5– диаметр шарика в мм, 750 – нагрузка в кгс, 20 – время выдержки под нагрузкой в с.

Показатели прочности, упругости и пластичности определяются при статических испытаниях на растяжение на разрывных машинах с использованием специальных образцов, (обычно круглого поперечного сечения), которые растягивают до разрушения. В процессе приложения нагрузки в образце возникает напряжение (МПа или кг/мм ). Под действием приложенной нагрузки возникает деформация – изменение размеров образца. Деформация может быть упругой и пластической. Пластическая деформация не исчезает после снятия нагрузки.

Упругая деформация полностью исчезает после снятия нагрузки и не приводит к заметным изменениям в структуре и свойствах материала.

Прочность - это способность металлов сопротивляться деформации без разрушения. Показателем прочности является временное сопротивление (предел прочности):

в =Pмах/F0 (кг/мм2 или Н/мм2), где Pмах - максимальная нагрузка, при которой происходит разрушение образца площадью F0.

Упругость – это способность материалов обратимо деформироваться.

Показатель – предел упругости:

е = Ре/Fо (кг/мм2 или Н/мм2), где Ре – нагрузка при которой упругая деформация переходит в пластическую.

Пластичность - это способность материалов необратимо деформироваться.

Перед разрушением образец претерпевает пластическую деформацию, он удлиняется, при этом происходит образование утонченной шейки и уменьшение начального диаметра образца. Показатели пластичности:

относительное удлинение =((LК–L0)/L0) ·100 %, где LК – длина образца после разрыва (мм), L0 – начальная длина образца (мм);

относительное сужение =((F0–FК)/F0) ·100 %, где FК – площадь сечения образца в месте разрыва (мм2), F0 – начальная площадь сечения образца (мм2).

Чем больше эти характеристики, тем материал пластичнее.

Ударная вязкость – способность металла сопротивляться динамическим (ударным) нагрузкам. Для её оценки применяют испытания на ударный изгиб прямоугольных образцов с U- или V-образным надрезом. Образец устанавливают на маятниковом копре так, чтобы удар происходил против надреза, раскрывая его.

Маятник поднимают, и он запасает работу Ао. При падении маятник разрушает образец, и затем поднимается на какую-то высоту (в маятнике остается часть работы А1). Т.о, работа разрушения составит: A = А0 – А1 (Дж или кДж).

Ударная вязкость – это работа разрушения, отнесенная к площади образца. В зависимости от формы надреза ударная вязкость обозначается KCU или KCV.

Тогда ударная вязкость определяется по формуле:

KCU (KCV) = A/Fо (кДж/мм2), где А – работа разрушения, Fо – площадь поперечного сечения прямоугольного образца (мм2 или см2).

Контрольные вопросы.

1. Что такое твердость, прочность, пластичность, упругость и ударная вязкость металла? 2. Назовите оборудование для определения твердости, прочности. 3. Какой недостаток имеет металл с высокой твердостью?

Задания для выполнения контрольной работы по главе №4.

Теоретические задания.

1. Что характеризуют механические свойства металлов? Какие свойства относятся к механическим? Их значение при выборе материалов для изготовления деталей машин и инструментов?

2. Что такое твердость? Назвать известные методы испытаний на твердость?

Определение, обозначения, единицы измерения.

3. Что такое прочность? Определение, обозначение, единицы измерения.

4. Что такое пластичность? Показатели пластичности. Определение, обозначения, единицы измерения.

5. Что такое упругость? Определение, обозначение, единицы измерения.

6. Что такое ударная вязкость? Определение, обозначение, единицы измерения.

7. В чем заключается сущность основных испытаний на твердость?

8. В чем заключается сущность и отличие пластической и упругой деформаций?

9. Какие характеристики прочности определяются при испытаниях на растяжение?

10. С какой целью проводят испытания на ударную вязкость, и в чем заключается их сущность?

11. Привести примеры материалов, имеющих высокие значения твердости;

пластичности.

12. В чем заключаются статические испытания металлов? Какие свойства можно определить с помощью статических испытаний?

13. Как и после каких испытаний определяют показатели пластичности?

14. Назовите, какие свойства относятся к группе физических, химических, механических и технологических? Какие из этих свойств характеризуют работоспособность металлов при различных нагрузках?

15. Дайте характеристику физических свойств металлов – плотности и удельного веса. Укажите значение плотности и удельного веса металлических материалов в связи с их применением в технике.

Задания особой формы.

16. Твердость по Роквеллу обозначается …, твердость по Бринеллю обозначается …, твердость по Виккерсу обозначается ….

17. HB определяется на оборудовании… 18. Единицы измерения твердости … 19. Предел прочности обозначается как… 20. Единицы измерения предела прочности… 21. это обозначение такого свойства, как … 22. В определяется на оборудовании… 23. Единицы измерения относительного удлинения …, относительного сужения… 24. Относительное удлинение обозначается как…, относительное сужение обозначается как… 25. это обозначение такого показателя, как …, это обозначение такого показателя, как … 26. Ударная вязкость обозначается как… 27. Единицы измерения ударной вязкости… 28. КС определяется на оборудовании… 29. KC это обозначение такого свойства, как … 30. Единицы измерения ударной вязкости… 31. Укажите ответ, в котором правильно приведена последовательность процессов происходящих при деформации металла: а) пластическая деформация; б) разрушение; в) упругая деформация 32. Проанализировав свойства указанных материалов, выберите материал, способный показать самую высокую пластичность:

А) сталь: в = 50-250 МПа, = 4-44% Б) медь: в = 25-50 МПа, = 1-70% В) алюминий: в = 5-10 МПа, = 5-49% Г) чугун: в = 12-60 МПа, = 0,25-18% 33. Укажите, чему равно относительное удлинение образца, который имел начальную длину 100 мм, и при разрыве удлинился до 120 мм:

34. При испытании на растяжение два образца из разных материалов длиной L1 = 100мм, L2= 50мм удлинились на 20мм каждый. Какой материал пластичнее?

А) материал первого образца Б) материал второго образца В) пластичность обоих материалов одинакова Г) определить и сравнить материалы невозможно 35. Проанализировав свойства указанных материалов, выберите материал, способный показать самую высокую прочность:

А) сталь: в = 50-250 МПа, = 4-44% Б) медь: в = 25-50 МПа, = 1-70% В) алюминий: в = 5-10 МПа, = 5-49% Г) чугун: в = 12-60 МПа, = 0,25-18% 36. Укажите, чему равен предел прочности материала, если образец площадью сечения 20мм разорвался при нагрузке 1000кг 37. При испытании на растяжение два образца из разных материалов диаметром D1=10мм и D2=5мм разорвались при одинаковой нагрузке. Какой материал прочнее?

А) материал первого образца Б) материал второго образца В) прочность обоих материалов одинаковая Г) определить невозможно 38. Определить твердость НВ металла, если под действием нагрузки 2000 кг шарик диаметром 10 мм оставил на стальном образце отпечаток диаметром 3 мм.

Предположите, какой металл подвергался испытанию.

39. Определить твердость НВ металла, если под действием нагрузки 1000 кг шарик диаметром 10 мм оставил на стальном образце отпечаток диаметром 2,8 мм.

Предположите, какой металл подвергался испытанию.

40. Образец из металла диаметром 10 мм при испытании на растяжение выдержал, не разрушаясь, наибольшую нагрузку, равную 1500 кг. Определить предел прочности при растяжении. Предположите, какой металл подвергался испытанию.

41. Вычислите относительное удлинение, если расчетная длина стального образца была 200мм, а после разрыва стала 220мм. Предположите, какой металл подвергался испытанию.

42. Определите величину относительного сужения металлического образца, если диаметр образца до испытания D = 20 мм, а диаметр образца в шейке (месте разрыва) D1 = 9 мм. Предположите, какой металл подвергался испытанию.

43. Определите ударную вязкость образца, если на его разрушение была затрачена работа 190Дж. Сечение образца 8*10 мм. Предположите, какой металл подвергался испытанию.

44. При испытании на растяжение два образца из разных материалов диаметрами D1=20 мм и D2=15мм выдержали перед разрушением одинаковую максимальную нагрузку 30000Н. Какова прочность этих металлов, какой из них прочнее и во сколько раз?

45. Два образца из разных материалов с начальной расчетной длиной 120 и мм удлинились после испытания на 20 мм каждый. Вычислите их относительное удлинение. Какой из материалов пластичнее?

Глава 5. Основы теории сплавов. Диаграмма «Железо-цементит».

Методические указания Теоретические основы изучения сплавов доступно и полно изложены в: [1], гл.2; [2], гл.2, введение; [3], стр. Более сложными для восприятия являются диаграммы состояния сплавов.

Поэтому рекомендуется неоднократное прочтение [1], гл.2, п.1.2.8.; [2], гл.2, §1.

Полное описание диаграммы «Железо-цементит» и всех структурных составляющих железоуглеродистых сплавов наиболее доступно и полно дано в: [1], гл.4; [2], гл51, §§ 1-3; [3], стр. 53.

Принцип построения кривой охлаждения можно проследить по [1], гл.2, п.

1.2.8.

Краткая теория.

Сплавами называют сложные вещества, состоящие из двух или более элементов, называемых компонентами. В металлическом сплаве компонентами могут быть металлы и неметаллы, но основными компонентами являются металлы.

Примеры: чугун (Fe-C), сталь (Fe-C), латунь (Cu-Zn), бронза (Сu-Sn, Cu-Ni, Cu-Fe, Cu-Al и др.) В отличие от чистых металлов металлические сплавы обладают большим разнообразием физических, механических, технологических свойств, предопределяющих их широкое использование в технике.

Способы получения сплавов:

1) Сплавление – в жидком состоянии;

2) Спекание металлических порошков при высокой температуре и давлении;

3) Электролиз.

Компонентом называют химически индивидуальное вещество, входящее в состав сплава.

Системой называют совокупность компонентов при всех возможных концентрациях и температурах.

Фаза – это часть системы, однородная по своему химическому составу, строению и свойствам. Разные фазы имеют четкую поверхность раздела. Фазами могут быть химические элементы, твердые и жидкие растворы и химические соединения.

Расплавленные компоненты при охлаждении и кристаллизации могут образовывать твердые металлические сплавы с различным строением: 1) сплавы твердые растворы, 2) сплавы - химические соединения, 3) сплавы - механические смеси.

1) Сплавы - твердые растворы образуются когда атомы одного компонента растворяются в решётке другого. Один компонент восстанавливает свою решетку (растворитель), а другой не восстанавливает (растворенное вещество). Атомы растворенного вещества располагаются в решетке растворителя, образуя твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения. Свойства в твердых растворах изменяются плавно. Такие сплавы обычно пластичны.

2) Сплавы - химические соединения образуются, когда компоненты не восстанавливают свои решётки, а образуют новую, отличающуюся от исходных.

Свойства изменяются резко. Обычно химические соединения обладают очень высокой твердостью.

3) Сплавы - механические смеси образуются, когда оба компонента восстанавливают свои решетки, не растворяясь друг в друге и не вступают в химическую реакцию. Каждый компонент образует самостоятельные зерна.

Свойства изменяются плавно. Свойства смесей зависят от количественного соотношения компонентов, от размеров и формы зерен.

Диаграммы состояния сплавов. ДСС.

Любая диаграмма состояния представляет собой графическую зависимость наличия фаз и структурных составляющих от концентрации веществ (компонентов), входящих в состав сплава, и температуры. Следовательно, диаграмма состояния позволяет изучить наличие тех или иных фаз и структурных составляющих в сплаве в зависимости от концентрации (сочетания) компонентов и температуры сплава.

Диаграмма состояния имеет не только теоретическое, но и большое практическое значение. По диаграмме можно определить, в зависимости от химического состава сплава, температурный интервал ковки или горячей объемной штамповки сплава, температуру нагрева для проведения термической обработки, сварки, температуру начала и конца заливки металла в литейные формы и др.

Диаграмма состояния также дает представление о свойствах сплавов с разной концентрацией компонентов, так как все свойства определяются структурой и внутренним строением сплава.

Существуют ДСС I, II, III, IV рода. Они отличаются степенью растворимостью компонентов друг в друге.

Диаграмма состояния системы «железо – цементит» (Fe – Fe3C) является основой для анализа формирования структуры железоуглеродистых сплавов.

Диаграмма позволяет изучить наличие тех или иных фаз и структурных составляющих в сталях и чугунах в зависимости от концентрации компонентов и температуры.

В железоуглеродистых сплавах компонентами являются железо и углерод.

Сплавы железа с углеродом подразделяются на стали, содержащие до 2,14% углерода, и чугуны, содержащие от 2,14 до 6,67% углерода.

При разных концентрациях и температурах в сталях и чугунах формируются следующие фазы и структурные составляющие: жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит, перлит и ледебурит.

Железо – металл серебристо-белого цвета, мягкий. Чистое железо содержит 99,99% Fe. В зависимости от температуры железо может существовать в двух аллотропических формах (см. главу 2). Железо обладает невысокими твердостью (НВ 80), прочностью (в =250 Н/мм2) и достаточно высокой пластичностью (=50%, =80%).

Углерод является неметаллическим элементом, его плотность составляет 2, г/см. Углерод, как и железо, полиморфен и может существовать в виде двух основных модификаций: графита и алмаза. При нормальных условиях он существует в виде графита, имеющего простую гексагональную решетку, а при высоких давлениях и температурах - в виде алмаза, имеющего сложную кубическую решетку.

Однофазные составляющие:

Жидкий раствор (Ж) существует выше линии ликвидус, где при растворении углерода в железе образуется жидкая фаза.

Самая мягкая структура в сталях и чугунах – это феррит – твердый раствор внедрения углерода в объемно-центрированной решетке – железа (Fe(С)).

Атомы железа располагаются в вершинах и центре куба, а атомы углерода – в промежутках между атомами железа. Количество атомов углерода в решетке Fe может изменяться. Максимальная растворимость углерода в феррите около 0,006% при 20 С и 0,02% при 727 С. Кристаллическая решетка – ОЦК. Атомы углерода располагаются в междоузлиях решетки железа. Феррит магнитен и весьма пластичен. Твердость феррита 80–100НВ. Феррит под микроскопом имеет вид светлых зерен неправильной, преимущественно округлой, формы с тонкими темными линиями.

Аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в -желе-зе, имеет большие твердость и прочность, чем феррит при достаточно хорошей пластичности. Максимальная растворимость углерода в -железе достигает 2,14% при температуре 1147°С. При снижении температуры растворимость углерода в железе уменьшается и при 727 °С составляет 0,8%.

Цементит (Ц) - карбид железа Fe3C, образуется при содержании углерода 6,67%. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Он обладает высокими твердостью и хрупкостью. Твердость самая высокая в сравнении с другими структурами сталей и чугунов, твердость примерно 1000HV; очень низкая пластичность. До температуры 2100 С ферромагнитен.

Является метастабильной фазой. Температура плавления точно не определена.

Двухфазные структуры:

Перлит (П) - механическая смесь (эвтектоид) тонких пластинок цементита с более толстыми пластинками феррита. Он образуется при распаде аустенита с содержанием углерода 0,8 % при температуре 727 °С.

Ледебурит (Л) - механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, кристаллизующаяся из жидкой фазы с содержанием углерода 4,3% при температуре 1147°С. Этот ледебурит называют высокотемпературным или аустенитным ЛА; температурная область его существования от 1147 до 727 °С. При температуре 727 °С аустенит превращается в перлит, а ледебурит ниже этой температуры представляет собой механическую смесь перлита и цементата.

Поэтому этот ледебурит называют низкотемпературным, или перлитным (Л п).

Ледебурит любой модификации содержится только в чугунах и отсутствует в сталях.

Точка А диаграммы соответствует температуре плавления чистого железа (1539 °С), а точка D — температуре плавления цементита (1550—1600 °С).

Процесс кристаллизации сплавов железо—углерод (в зависимости от содержания углерода) начинается при температурах, отложенных на линии ABCD.

Эта линия называется линией ликвидус.

Конец затвердевания сплавов происходит при температурах, отложенных на линии AHJECF. Эта линия называется линией солидуc.

По линии НВ (при температуре 14990 С) в равновесии находятся кристаллы феррита и жидкость. При этой температуре происходит перитекическое превращение, в результате образуется структура феррит+аустенита.

На «стальном» участке диаграммы «железо-цементит» точка S (углерода 0,8%) называется эвтектоидной точкой, а линия PSK -эвтектоидной линией. Точка S показывает минимальную температуру равновесного существования аустенита.

При понижении температуры ниже 727°С происходит распад аустенита с одновременным выделением феррита и цементита — образуется эвтектоидная смесь, называемая перлитом. В связи с этим углеродистые стали в зависимости от содержания углерода подразделяются относительно эвтектоидной точки S на эвтектоидные (углерода 0,8%), доэвтектоидные (углерода менее 0,8%) и заэвтектоидные (углерода менее 0,8%). При температуре ниже 727°С микроструктура эвтектоидных сталей состоит только из перлита, доэвтектоидных из феррита и перлита, заэвтектоидных - из перлита и цементита (рис. 1).

На «чугунном» участке диаграммы точка С (углерода 4,3%) называется эвтектической точкой, а линия ЕС - эвтектической линией. В точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода 4,3 % из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и первичный цементит с образованием эвтектики (смеси), называемой ледебуритом. Чугуны в зависимости содержания углерода, но уже относительно эвтектической точки С, подразделяются на эвтектические (углерода 4,3%), доэвтектические (углерода менее 4,3%) и заэвтектические (углерода более 1,3%). При температуре ниже 727°С структура эвтектических чугунов состоит из эвтектики ледебурита низкотемпературного (Лп), эвтектических чугунов - из перлита и ледебурита (Лп) и заэвтекческих чугунов - из ледебурита (ЛП) и цементита первичного (ЦII).

Контрольные вопросы.

1. Какие вещества называются сплавами? 2. Как называется диаграмма, описывающая превращения в сталях и чугунах? 3. Назовите основные сходства и различия в составе и структуре сталей и чугунов.

Задания для выполнения контрольной работы по главе №5.

Теоретические задания.

1. Что называется сплавом? Что называется системой, компонентом, фазой?

Привести примеры сплавов.

2. Укажите 5 преимуществ сплавов перед чистыми металлами.

3. Назвать типы сплавов, в зависимости от расположения атомов в них (внутреннего строения). Какими свойствами обычно обладают сплавы такого строения.

4. Перечислите способы получения сплавов (3 способа). Какой из них самый распространённый?

5. Что такое сплав – твердый раствор. Объяснить, как распределяются атомы в решетках твердых растворов замещения и внедрения?

6. В чем отличие твердого раствора от химического соединения? Что представляет собой сплав - механическая смесь?

7. Какая из изображённых ниже структур может быть структурой чистого металла, твёрдого раствора, механической смеси и химического соединения?

Обоснуйте свой ответ.

8. Перечислите, опишите и схематично вычертите основные типы диаграмм состояния сплавов.

9. Напишите правило фаз и поясните все его слагаемые. Какой вид имеет правило фаз для сталей?

10. Что называется линиями ликвидуса и солидуса на диаграммах? Назовите по диаграмме «Fe–Fe3C» линии ликвидуса, солидуса, первичной и вторичной кристаллизации сталей и чугунов.

11. Что такое эвтектика и эвтектоид? Назовите эвтектоид и эвтектику в железоуглеродистых сплавах.

12. Что такое феррит? Чем отличается он от – Fe? Что такое аустенит? Чем отличается он от – Fe? Свойства феррита и аустенита.

13. Что такое цементит, перлит, ледебурит? Их свойства.

14. Назовите самую мягкую и самую твердую структуру сталей. Дайте их определения.

15. Каково практическое значение диаграммы «Fe–Fe 3C».

Задания особой формы.

16. Сплав латунь Л70 является твердым раствором Сu в Zn и имеет кристаллическую решётку ….

17. Аустенит – это твёрдый раствор … кристаллическую решётку ….

18. Феррит – это твёрдый раствор … углерода в -Fe, имеет кристаллическую решётку ….

19. Концентрация углерода в сталях равна … %, концентрация углерода в чугунах равна … %.

20. Линия ABCD диаграммы «Fe–Fe3C» называется …. Сплавы выше этой линии находятся в … состоянии.

21. Линия AHJECF диаграммы «Fe–Fe3C» называется …. Сплавы ниже этой линии находятся в … состоянии.

22. Компонентами сталей и чугунов являются ….

23. Линия PSK диаграммы «Fe–Fe3C» соответствует температуре … 0С.

24. Линия ECF диаграммы «Fe–Fe3C» соответствует температуре … 0С.

25. Точка G диаграммы «Fe–Fe3C» соответствует температуре…0С, и концентрации углерода… %.

26. Точка А диаграммы «Fe–Fe3C» соответствует температуре…0С, и концентрации углерода… %.

27. Точка S диаграммы «Fe–Fe3C» соответствует температуре…0С, и концентрации углерода… %.

28. Точка Е диаграммы «Fe–Fe3C» соответствует температуре…0С, и концентрации углерода… %.

29. Точка С диаграммы «Fe–Fe3C» соответствует температуре…0С, и концентрации углерода… %.

30. Точки D, F и К диаграммы «Fe–Fe 3C» соответствуют концентрации углерода … %.

Используя ДСС «Fe–Fe 3C», постройте кривую охлаждения сплава, указанного в вариантах задания. Как называется этот сплав? Какие превращения и при каких температурах происходят с этом сплавом при охлаждении от 1600 0 С до 6000 С? Какую структуру имеет этот сплав после полного охлаждения?

Глава 6. Чугуны. Углеродистые и легированные стали. Стали и сплавы с Методические указания.

Черные металлы – стали и чугуны остаются наиболее применяемыми материалами в тяжелой промышленности, машиностроении и других отраслях. В РФ установлены единые условные обозначения химического состава сталей и чугунов (из букв и цифр). Изучение состава, строения и структуры этих сплавов даёт объяснение их широкому применению. Легирование сплавов позволяет получить в них специальные свойства и расширить применение, например, в условиях коррозии, высоких температур, агрессивных сред и т.п.

Поэтому в любой указанной литературе приведено очень полное описание классификации и применения сталей и чугунов, в том числе легированных: [1], гл.

3, 4, 6, 9; [2], гл. 8, §§1-2; [3], стр.102, 109, 121.

Твёрдыми сплавами называют металлические материалы с высокой твердостью, прочностью, режущими и другими свойствами, сохраняющимися при нагреве до высоких температур. Применяются они для изготовления инструмента.

Более подробную информацию по данной теме можно получить в [1], гл. 9.

Краткая теория Углеродистые стали – это сплавы железа с углеродом с содержанием углерода менее 2,14% (теоретически) и до 1,3% (практически). Также в сталях содержатся постоянные примеси: полезные (кремний и марганец) и вредные (сера и фосфор).

Стали получают путем выплавки в печах разного типа. Сырьем является передельный чугун, лом и частично железные руды.

Свойства сталей зависят от количества углерода в них.

Рис. 6.1. Влияние содержания углерода на свойства стали, где в — предел прочности; – относительное удлинение; – относительное сужение; КС или а1 – ударная вязкость; НВ – твердость по Бринеллю.

Классификация углеродистых сталей:

1. По получению стали подразделяют на: а) мартеновские; б) конвертерные; в) электростали.

2. По содержанию углерода: а) низкоуглеродистые (менее 0,25%С), б) среднеуглеродистые (0,25–0,6%С), в) высокоуглеродистые (0,6–1,3%С).

3. По качеству (качество зависит от количества вредных примесей): а) обыкновенного качества (S и P по 0,04…0,06% каждого); б) качественные (S и P по 0,03…0,04% каждого); в) высококачественные (S и P по 0,025% каждого).

4. По степени раскисления: а) спокойные; б) полуспокойные (пс); в) кипящие (кп), имеют пористую структуру.

5. По применению (назначению):а) конструкционные (менее 0,8%С); б) инструментальные (более 0,7% С); в) автоматные (менее 0,4% С).

6. По структуре: а) доэвтектоидные; б) эвтектодные; в) заэвтектоидные.

Легированные стали – это стали, в которых помимо железа, углерода и постоянных примесей содержатся специально вводимые добавки других элементов, придающих сталям новые свойства. Эти добавки принято называть легирующими элементами (л.э).

Хром увеличивает твердость, прочность, коррозионную стойкость. Никель повышает прочность, пластичность, ударную вязкость, прокаливаемость, устойчивость против коррозии. Вольфрам увеличивает твердость и красностойкость. Ванадий увеличивает твердость и прочность. Кобальт увеличивает ударную вязкость, жаростойкость и магнитные свойства. Молибден повышает упругость, прочность, красностойкость, коррозионную стойкость. Титан повышает прочность, измельчает зерно, повышает коррозионную стойкость.

Алюминий повышает жаростойкость и окалиностойкость. Медь увеличивает антикоррозионные свойства.

Маркировка сталей.

1. Стали обыкновенного качества обозначают буквами "Ст" и условным номером марки (от 0 до 6) в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем выше содержание углерода и прочностные свойства стали, тем больше её номер. Перед маркой указывают группу стали, причем группа "А" в обозначении марки стали не ставится.

Примеры: Ст1кп - углеродистая сталь обыкновенного качества, кипящая, № марки 1, поставляется потребителям по механическим свойствам (группа А);

ВСт5 - углеродистая сталь обыкновенного качества, спокойная, № марки 5, с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В);

ВСт0 - углеродистая сталь обыкновенного качества, номер марки 0, группы Б – с гарантированным химическим составом.

2. Углеродистые конструкционные качественные стали. В обозначениях углеродистой конструкционной качественной стали в начале марки приводятся цифры, указывающие среднее содержание углерода в сотых долях процента. Если сталь высококачественная, то в конце марки ставится буква А.

Примеры записи марок стали по ГОСТ 1050-74: 08, 10, 15, 20, …, 80.

Пример: сталь 15 – углеродистая конструкционная качественная сталь с содержанием углерода 0,15%.

05кп - сталь углеродистая качественная, кипящая, содержит 0,05% С;

60 - сталь углеродистая качественная, спокойная, содержит 0,60% С;

3. Углеродистые инструментальные стали маркируются: первая буква У обозначает слово «углеродистая инструментальная», а далее идут цифры, указывающие среднее содержание углерода в десятых долях процента (а не в сотых долях, как у качественных сталей). Если сталь высококачественная, то в конце марки ставится буква А. Примеры записи марок стали по ГОСТ 1435-74: У7, У8, У8А, У10А.

Пример: сталь У8 – углеродистая инструментальная сталь с содержанием углерода 0,8%.

У12 - углеродистая инструментальная, качественная сталь, содержит 1,2% С;

4. Легированные стали – это стали, в которых помимо железа, углерода и постоянных примесей содержатся специально вводимые добавки других элементов, придающих сталям новые свойства. Эти добавки принято называть легирующими элементами (л.э).

Легированные стали маркируются сочетанием цифр и букв. Первое двузначное число указывает содержание углерода: для конструкционных сталей — в сотых долях процента, для инструментальных — в десятых долях процента (инструментальные начинаются с цифр 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11, 13). Если впереди букв цифра отсутствует, то содержание углерода составляет около 1% - сталь инструментальная. Далее идут буквы, которые обозначают легирующие элементы:

А-азот (только в середине марки), Б-ниобий, В-вольфрам, Г-марганец, Д-медь, Еселен, К-кобальт, Н-никель, М- молибден, Ш-магний, Р-бор, С-кремний, Т-титан, Ф-ванадий, X-хром, Ц-цирконий, Ю-алюминий. Следующие после буквы цифры указывают примерное содержание в процентах соответствующего легирующего Высококачественные стали обозначаются в конце буквой А.

Примеры: 20Х2Н4МА – легированная конструкционная сталь, имеет состав:

0,20% С; 2% Cr; 4% Ni; около 1…1.5% Mo; высококачественная.

5ХНТ – легированная инструментальная сталь, содержащая 0,5% C; около 1% Cr; около 1% Ni и около 1% Ti.

5. Специальные легированные стали.

Шарикоподшипниковые стали маркируют буквами "ШХ", после которых указывают содержание хрома в десятых долях процента:

Пример: ШХ4 - шарикоподшипниковая сталь, содержащая 0,4% хрома;

ШХ15ГС - шарикоподшипниковая сталь, содержащая 1,5% хрома и от 0,8 до 1,5% марганца и кремния.

Быстрорежущие стали (сложнолегированные) обозначают буквой "Р", следующая за ней цифра указывает на процентное содержание в ней вольфрама:

Пример: Р18 -быстрорежущая сталь, содержащая 1,8% вольфрама;

Р6М5К5 -быстрорежущая сталь, содержащая 6% вольфрама 5% молибдена 5% кобальта.

Автоматные стали (стали повышенной обрабатываемости) обозначают буквой "А" и цифрой, указывающей среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Пример: А12 - автоматная сталь, содержащая 0,12% углерода;

А40Г - автоматная сталь с 0,40% углерода и повышенным до 1,5% содержанием марганца.

Электротехническая сталь. Обозначаются буквой Э и цифрами: первая цифра — содержание кремния, %; вторая цифра — гарантированные магнитные свойства стали (1 — с нормальными, 2 — с пониженными, 3 — с низкими ваттными потерями); 00 — сталь холоднокатаная малотекстурованная, 0 — холоднокатаная текстурованная; А — сталь повышенного качества с особо низкими потерями.

Пример: Э330 — электротехническая сталь, 3% кремния, с низкими ваттными потерями, холоднокатаная текстурированная.

Магнитная сталь обозначается буквой Е, затем указываются компоненты и их количество.

Пример: ЕХ5К5 – магнитотвердая сталь, содержание хрома 5%, кобальта 5%, (углерода примерно 0,9-1,05%).

Чугуны – это сплавы железа с углеродом с содержанием углерода 2,14-6,67% ((теоретически) и 2,5-3,5% (практически). Также в чугунах содержатся постоянные примеси: полезные (кремний и марганец) и вредные (сера и фосфор).