ВВЕДЕНИЕ
При проектировании, эксплуатации и изготовлении самых разнообразных машин, аппаратов, приборов, устройств, большое значение имеет правильный выбор применяемых в них материалов. Именно материалы в значительной степени определяют качество продукции, ее долговечность, стоимость, экономичность эксплуатации, габариты, надежность, технологичность и т.п. основные характеристики электротехнических и энергетических устройств при заданных габаритах также зависят, в первую очередь от выбранных материалов. Поэтому курс «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» для студентов заочной формы обучения специальностей 110302 «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства» и 140601 «Электромеханика» является одним из основных. Знания, полученные в этом курсе, окажутся очень полезными при выполнении курсовых работ и дипломных проектов, а также в практической деятельности.
Целью выполнения контрольных заданий является приобретение навыков самостоятельной работы с учебной, справочной и периодической литературой, нормативно-технической и эксплуатационной документацией, а также выбор средств и методов решений задач расчетного характера.
Методические указания по выполнению контрольных заданий «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» включает два раздела, рассчитанных на выполнение задач как расчетного, так и описательного характера. Каждый раздел контрольной работы состоит из шести заданий. Контрольная работа выполняется в пятом (шестом) семестре. Список литературы, необходимой для выполнения заданий, приведен в начале методических указаний. Номер варианта каждого задания студент выбирает по последней или предпоследней цифре зачетной книжки или студенческого билета.
Контрольные задания выполняются на листах формата А4 аккуратно, разборчивым подчерком, графики выполняются на миллиметровой бумаге. Небрежно выполненные контрольные задания возвращаются обратно студентам без проверки. Допускается оформление заданий на компьютере с распечаткой их на принтере.
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
1. Введение
Цели и задачи дисциплины «Материаловедение. Технология конструкционных материалов», её связи с другими изучаемыми предметами, значение в подготовке инженеров-электромехаников и инженеров-электриков. Роль материалов в промышленности и энергетике. Основные понятия и классификация материалов.
2.Конструкционные материалы.
2.1.Общие вопросы.
Классификация конструкционных материалов, используемых в электротехнике и электроэнергетике. Требования, предъявляемые к конструкционным материалам электротехнических и энергетических устройств. Критерии оценки и выбора материалов.
2.2.Основы материаловедения.
2.2.1.Строение и основные свойства материалов и сплавов. Кристаллическое строение металлов. Дефекты кристаллического строения. Кристаллизация и рекристаллизация. Пластическая деформация. Механические и другие свойства металлов. Диаграммы состояния бинарных сплавов.
2.2.2.Железоуглеродитстые сплавы.
Компоненты и фазы системы железо-углерод (железо-цемент). Углеродистые стали. Чугуны.
2.2.3.Основы термической и химико-термической обработки стали. Виды термической обработки. Превращения в стали. Виды отжига. Нормализация стали. Закалка и отпуск стали. Термомеханическая и химико-термическая обработка.
2.2.4.Легированные стали и сплавы.
Влияние легирующих элементов, на свойства сталей. Классификация, маркировка и области применения конструкционных легированных сталей. Инструментальные стали, их маркировка и области применения. Стали и сплавы с особыми свойствами. Твердые сплавы и материалы.
2.2.5.Цветные металлы и сплавы.
Медь и ее сплавы. Титан и его сплавы. Подшипниковые сплавы и материалы.
2.2.6.Неметаллические материалы.
Классификация, строение и свойства неметаллических материалов.
3.Способы обработки материалов.
3.1.Основы технологии литейного производства.
Общие сведения о литейном производстве. Элементы литейной формы. Основные виды литья. Основы изготовления отливок из различных сплавов.
3.2.Основы технологии обработки металлов давлением.
Физико-механические основы технологии обработки металлов давлением. Нагрев металла при обработке давлением. Прокатка, прессование, волочение.
3.3.основы технологии сварочного производства.
Физические основы получения сварочных соединений. Термическая и механическая сварка. Пайка.
3.4.Основы технологии обработки металлов резанием.
Физико-механические основы обработки металлов резанием. Сведения о металлорежущих станках. Обработка на токарных станках. Обработка на сверлильных и расточных станках.
Обработка на строгальных и протяжных станках. Обработка на фрезерных станках. Обработка на шлифовальных и отделочных станках.
3.5.Основы порошковой металлургии.
Металлические порошки и способы производства изделий из них.
4.Электротехнические материалы.
4.1.Общие вопросы электротехнических материалов.
Основные понятия и классификация электротехнических материалов. Типы химической связи и влияние ее на строение и свойства материалов
4.2.Диэлектрики.
4.2.1.Поляризация диэлектриков.
Механизмы поляризации. Диэлектрическая проницаемость и ее связь с процессами поляризации. Частотная и температурная зависимости диэлектрической проницаемости для диэлектриков различных типов.
4.2.2.Электропроводность диэлектриков
Природа электропроводности. Токи смещения. Зависимость удельного поверхностного и удельного объемного сопротивления твердых диэлектриков от температуры, напряженности электрического поля и других условий окружающей среды.
4.2.3.Диэлектрические потери.
Векторная диаграмма токов в диэлектрике. Угол диэлектрических потерь. Физическая сущность диэлектрических потерь. Диэлектрические потери в композиционных диэлектриках. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры, частоты, напряженности электрического поля и других факторов.
4.2.4.Пробой диэлектриков.
Механизмы и основные закономерности пробоя в газообразных, жидких, твердых диэлектриках.
4.2.5.Физико-химические свойства диэлектриков.
Влажностные свойства диэлектриков. Тепловые свойства диэлектриков. Химические свойства диэлектриков.
4.2.6.Диэлектрические материалы.
Газообразные и жидкие диэлектрики. Полимеры. Битумы. Лаки. Компаунды. Гибкие пленки. Волокнистые материалы. Пластмассы. Эластомеры. Стекла. Керамические материалы. Неорганические изоляционные материалы.
4.3.Проводниковые материалы.
Классификация и основные свойства проводниковых материалов. Проводниковые материалы высокой проводимости. Сверхпроводимость и криопроводимость. Сплавы высокого сопротивления. Припои и флюсы. Неметаллические проводники.
4.4.Полупроводниковые материалы.
Общие свойства о полупроводниках. Особенности проводимости полупроводников: воздействие внешних факторов на свойства полупроводников. Элементы и материалы со свойствами полупроводника.
4.5.Магнитные материалы.
Природа магнетизма и общие сведения о магнитных свойствах материалов. Классификация магнитных материалов.
Магнитомягкие материалы: технически чистое железо, электротехническая сталь, пермаллои и их характерные свойства. Методы улучшения магнитных характеристик материалов.
Магнитотвердые материалы и их основные свойства. Сплавы с большой магнитной энергией, и их свойства и применение.
Ферриты, их состав и свойства. Магнитомягкие и магнитотвердые ферриты и их технико-экономические показатели.
ЗАДАНИЯ НА КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ
1. Конструкционные материалы
Задание 1.1
Определить твердость материала:
1.1.1.По методу Бринелля, если известны: диаметр шарика D, который внедряется в испытуемый материал, диаметр отпечаткаdи величина нагрузки Р. Значения диаметров и нагрузок приведены в табл.1.
Таблица 1
|
Велич. и единиц. изме- рения |
Номер варианта по последней цифре шифра | |||||||||
|
Вариант |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
D,мм |
10 |
5 |
2,5 |
10 |
5 |
2,5 |
10 |
5 |
2,5 |
10 |
|
d, мм |
3,0 |
2,0 |
1,4 |
1,8 |
1,1 |
0,8 |
0,9 |
0,6 |
0,4 |
3,2 |
|
P, кгс |
3000 |
750 |
188 |
1000 |
250 |
62,5 |
250 |
62,5 |
15,6 |
3000 |
1.1.2.По методу Виккерса, если известны значения диагоналей отпечатка d1иd2и нагрузка на пирамиду. Значения диагоналей, отпечатка и величины нагрузок приведены в табл.2.
Таблица 2
|
Велич. и един. измер |
Номер варианта по последней цифре шифра | |||||||||
|
Вариант |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
D1,мм |
0,214 |
0,25 |
0,52 |
0,3 |
0,39 |
0,33 |
0,5 |
0,4 |
0,25 |
0,4 |
|
D2,мм |
0,215 |
0,24 |
0,51 |
0,3 |
0,4 |
0,32 |
0,51 |
0,4 |
0,26 |
0,39 |
|
P, кгс |
5 |
10 |
120 |
20 |
50 |
30 |
100 |
50 |
10 |
100 |
Подробно с методами измерения твердости можно ознакомиться в рекомендованной литературе /2, с.95-98/, /15, с.15-16/.
Задание 1.2
Диаграмма растяжения (рис.1) представляет собой график зависимости нагрузки Р, прикладываемой к образцу при растяжении от деформации (абсолютного удлинения) Lабс удлобразца. В пределах упругой деформации (от точки 0 до точки 1) зависимость имеет линейный характер. В дальнейшем, при пластической деформации, график изменяется по криволинейной зависимости, имеет максимум в точке 4 и заканчивается точкой (точка 6) разрушения образца.
Точка 2 соответствует напряжению, которое вызывает остаточную деформацию, равную 0,2% от расчетной длины образца.
В задании необходимо построить по 6
точкам диаграмму растяжения прямоугольного
образца с размерами
.
Расчетную длину для всех вариантов
взять равнойL0=200
мм. По диаграмме растяжения и исходным
данным определить условный предел
текучести, предел прочности и относительное
удлинение.
Данные для построения диаграммы и расчета приведены в табл.3:
Таблица 3
|
Вел. и един. изм |
Номер варианта по последней цифре шифра | |||||||||
|
ВАРИАНТ | ||||||||||
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 | |
|
Р1, кГс |
3250 |
3000 |
1450 |
650 |
5000 |
145 |
4250 |
1700 |
1300 |
1000 |
|
Р2, кГс |
3600 |
4000 |
1700 |
720 |
6500 |
185 |
5250 |
1980 |
1500 |
1250 |
|
Р3, кГс |
4200 |
4750 |
2100 |
840 |
8075 |
210 |
5500 |
2690 |
1680 |
1500 |
|
Р4, кГс |
4800 |
6000 |
2250 |
960 |
10200 |
225 |
8400 |
3400 |
1920 |
2000 |
|
Р5, кГс |
4600 |
5800 |
2050 |
920 |
9850 |
205 |
8120 |
3200 |
1840 |
1930 |
|
Р6, кГс |
4000 |
5000 |
1700 |
800 |
8500 |
170 |
7000 |
2830 |
1600 |
1670 |
|
L1, мм |
6,6 |
4,0 |
5,5 |
9,9 |
6,0 |
1,1 |
8,0 |
3,0 |
19,0 |
3,0 |
|
L2, мм |
7,0 |
5,5 |
6,8 |
10,5 |
8,0 |
1,5 |
10,0 |
4,3 |
25,0 |
4,0 |
|
L3, мм |
10,0 |
7,0 |
9,4 |
15,0 |
10,5 |
1,9 |
11,0 |
5,3 |
30,0 |
5,3 |
|
L4, мм |
14,0 |
13,0 |
12,0 |
21,0 |
19,5 |
2,4 |
26,0 |
10,0 |
42,0 |
8,7 |
|
L5, мм |
17,0 |
16,0 |
14,6 |
25,5 |
24,0 |
2,9 |
32,0 |
12,0 |
51,0 |
12,0 |
|
L6, мм |
20,0 |
19,0 |
17,0 |
30,0 |
28,5 |
3,4 |
38,0 |
14,0 |
60,0 |
14,3 |
|
а, мм |
2,0 |
4,0 |
2,0 |
3,0 |
5,0 |
2,0 |
10,0 |
1,0 |
1,0 |
2,5 |
|
в, мм |
50 |
30 |
60 |
40 |
20 |
10 |
40 |
40 |
30 |
40 |
Задание 1.3
Начертите диаграмму состояния бинарных сплавов, состоящих из компонентов А и В. К какому типу диаграмм состояния относится данная диаграмма? Что характеризует сплав, образующий диаграмму состояния данного типа? Укажите структуры во всех областях. Укажите процессы, протекающие при охлаждении в сплаве, содержащим, а% компонента в. Запишите критические точки начала и конца кристаллизации. Для сплава этого состава постройте кривую охлаждения. Для температуры t1и сплава заданного состава, пользуясь правилом отрезков, определите количество составляющих сплава. Исходные данные для выполнения задания приведены в табл.4. Для построения диаграммы в табл.4 дан номер источника в рекомендованном списке литературы и страницы этого источника информации.
Таблица 4
|
Велич.и един. изм. |
Номер варианта по предпоследней цифре шифра | |||||||||
|
Вар-т |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
КомпонентА-В |
Pb- Sb |
Fe- S |
Fe- P |
Cu- Bi |
Ag- Si |
Al- Si |
Cu- Ni |
Cu- Pb |
Pb- Sn |
Sn- Zn |
|
Содниекомта.Вв % |
60 |
90 |
5 |
20 |
80 |
50 |
60 |
10 |
40 |
70 |
|
Температура t1, ○С |
400 |
1050 |
1300 |
700 |
800 |
900 |
1300 |
1000 |
200 |
300 |
|
Рекоменд.литерат. |
4 |
4 |
4 |
4 |
3 |
4 |
3 |
4 |
4 |
4 |
|
Стр. источн. Иформ. |
525 |
165 |
164 |
511 |
335 |
481 |
334 |
511 |
529 |
529 |
Подробно с диаграммами состояния двойных сплавов можно ознакомиться в рекомендуемой литературе /3,с. 55-65/, /4,с. 100-128/, /15,с. 19-27/.
Задание 1.4
Начертите диаграмму железо-углерод. Укажите структуру во всех областях. Опишите превращения, протекающие в сплаве, содержащем b% углерода при медленном охлаждении от 1600 до 20○С. Содержание углерода в сплаве задано в табл.5.
Таблица 5
|
Велич. и един. измерения |
Номер варианта по последней цифре шифра | |||||||||
|
Вариант |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Содержание углерода в,% |
0,2 |
1,0 |
1,8 |
0,8 |
1,5 |
0,5 |
1,2 |
0,9 |
0,4 |
1,9 |
Подробно о диаграмме Fe-Cможно ознакомиться в рекомендованном списке литературы /3,с. 55-65/, /4,с. 142-159/, /15,с. 29-31/.
Задание 1.5
Для заданной марки стали необходимо:
- определить назначение стали и ее структуру;
- расшифровать марку стали, указав состав и содержание, основных и легирующих компонентов
-указать значение основных механических свойств (условный предел текучести, предел прочности, относительное удлинение, относительное сужение, твердость и др.)
- указать область применения.
Марки сталей даны в табл. 6.
Таблица 6
|
Номер варианта по предпоследней цифре шифра |
Марка стали |
|
0 |
18Х2Н4МА |
|
1 |
15ХГН2ТА |
|
2 |
20ХГН2МБФ |
|
3 |
40ХН2МА |
|
4 |
38ХН3МФА |
|
5 |
60С2Н2А |
|
6 |
08Х21Н6М2Т |
|
7 |
10Х17Н13МЗТ |
|
8 |
18Х12ВМБФР |
|
9 |
10Х11Н23ТЗМР |
Подробнее со сталями можно ознакомиться в рекомендованном списке литературы./2,с. 259-312/, /5,с. 12-48/.
Задание 1.6
Для заданной марки сплава цветных металлов:
- указать систему сплава и его группу в зависимости от технологических свойств;
- расшифровать марку сплава, указав состав и содержание основных компонентов;
- указать значение основных механических и технологических свойств;
- указать области применения.
Марки сплавов даны в таблице 7.
Таблица 7
|
Номер варианта по последней цифре шифра |
Марка стали |
|
0 |
АМц, МА15 |
|
1 |
АМгЗ, Л96 |
|
2 |
Д16, МА2 |
|
3 |
АЛ22, БрОФ 6,5-0,4 |
|
4 |
В95, МЛ 95 |
|
5 |
Д20, ЛАН 59-3-2 |
|
6 |
АК4-1, МЛ10 |
|
7 |
АЛ19, ЛО 63-3 |
|
8 |
АК6, БрО19 |
|
9 |
АЛ2, ЛЖМц 59-1-1 |
Подробнее о сплавах цветных металлов можно узнать в рекомендованном списке литературы:
- алюминиевые сплавы - /2,с. 384-401/, /4,с. 490-503/, /5,с.234-272/;
- медные сплавы - /2,с. 406-417/, /4,с. 509-524/, /5,с.84-114/;
- магниевые сплавы - /2,с. 401-406/, /4,с. 504-507/, /5,с. 272-291/.