- •Введение
- •Программа и методические указания к темам дисциплины.
- •Тема 1. Классификация материалов.
- •Методические указания.
- •Вопросы для самопроверки.
- •Тема 2. Основы теории сплавов.
- •Методические указания.
- •Вопросы для самостоятельной проверки.
- •Тема 3. Железо и его сплавы.
- •Методические указания.
- •Вопросы для самопроверки.
- •Тема 4. Термическая обработка сталей и чугунов.
- •Методические указания.
- •Вопросы для самопроверки.
- •Тема 5. Поверхностные методы упрочнения.
- •Методические указания.
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 6. Конструкционные и инструментальные стали.
- •Методические указания.
- •Вопросы для самопроверки.
- •Тема 7. Цветные металлы и сплавы.
- •Методические указания.
- •Вопросы для самопроверки.
- •Тема 8. Неметаллические материалы.
- •Методические указания.
- •Темы рекомендованных лабораторных работ и практических занятий.
- •Контрольная работа.
- •Варианты контрольной работы
- •Вариант 1.
- •Вариант 2.
- •Вариант 3.
- •Вариант 4.
- •Вариант 5.
- •Вариант 6.
- •Вариат 7.
- •Вариант 8.
- •Вариант 9.
- •Вариант 10.
- •Вариант 11.
- •Вариант 12.
- •Вариант 13.
- •Вариант 14.
- •Вариант 15.
- •Вариант 16.
- •Вариант 17.
- •Вариант 18.
- •Варианты контрольной работы
- •Вариант 1.
- •Вариант 2.
- •Вариант 3.
- •Вариант 4.
- •Вариант 5.
- •Вариант 6.
- •Вариант 7.
- •Вариант 8.
- •Вариант 9.
- •Вариант 10.
- •Вариант 11.
- •Вариант 12.
- •Вариант 13.
- •Вариант 14.
- •Вариант 15.
- •Вариант 16.
- •Вариант 17.
- •Вариант 18
- •Литература Основная
- •Дополнительная
- •Приложение.
- •(Железо-карбид железа)
- •С механическими свойствами Содержание
Вопросы для самостоятельной проверки.
-
Охарактеризуйте, что такое компонент, сплав, фаза и система?
-
Как проводят построения диаграмм состояния сплавов? Что такое линия солидус и ликвидус?
-
В чём различие между эвтектической, эвтектоидной и перитектической реакциями? Запишите их и проведите фазовый и структурный анализ?
-
В чём сущность и назначение правила Курнакова?
-
Что такое твердые растворы внедрения и замещения?
-
Изобразите основные виды диаграммы состояния сплавов? Проведите структурный и фазовый состав сплавов по этим диаграммам.
Тема 3. Железо и его сплавы.
Диаграмма состояния «Железо-цементит». Построения кривых охлаждения (нагрева) для железоуглеродистых сплавов с применением правила фаз. Классификация углеродистых сталей по структуре, качеству и степени раскисления. Маркировка и назначение углеродистых сталей. Классификация и маркировка чугунов. Свойства, назначение и способы получения белых, серых ковких и высокопрочных чугунов. Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа и на превращение в сталях. Получение сталей ферритного, мартенситного, ледебуритного и аустенитного класса. Маркировка, свойства и назначения легированных сталей.
Методические указания.
Наибольшее применение в промышленности имеют сплавы железа с углеродом – стали и чугуны. Поэтому изучение диаграммы состояния «железо-углерод» является основной задачей в подготовке специалистов машиностроительных предприятий. Указанная диаграмма (см. приложение рис. 2) показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита Fe3С (6,67% углерода). На диаграмме Fe – Fe3C показаны характерные точки и линии. Линия АВСД (линия ликвидус) показывает температуру начала кристаллизации из жидкого сплава кристаллов твердой фазы. Линия АНJЕF (линия солидус) является температурной границей, ниже которой сплавы находятся только в твёрдом состоянии. Характерными линиями являются также линия НJB, ECF и PSK. При температуре (14990С) (линия HJB) в сплавах протекает перитектическая реакция с образованием аустенита, состав которого по углероду соответствует точке «J».
При температуре 11470С (линия ЕСF) в процессе охлаждения в сплавах протекает эвтектическая реакция с образованием ледебурита (Л) - смеси состоящей из аустенита (А) и цементита (Ц).
Линия РSК – линия эвтектоидного превращения, которая при охлаждении соответствует распаду аустенита с образованием эвтектоида – феррито - цементитной структуры, получившей название перлит.
Используя диаграмму «железо-углерод» рассмотрим изменения фазового состава сплава с содержанием 0,45% углерода. В приложении на рисунке 3. приведена кривая охлаждения для такого сплава. Точки на кривой охлаждения соответствуют точкам указанным на диаграмме Fe – Fe3C (см. приложение рис.2)
При температуре 14990С во время охлаждения сплава протекает перитектическая реакция, сущность которой состоит в следующем:
Образующийся аустенит имеет состав соответствующий точке «J». По содержанию углерода это 0,16%.
При дальнейшем охлаждении сплава вплоть до температуры соответствующей точки 3 система состоит из аустенита и жидкости. Окончательный переход жидкости в аустенит завершается при этой температуре, между температурами точек 3 и 4 сплав имеет аустенитную структуру.
При температуре 7270С (точка 5) во время охлаждения сплава в нем протекает эвтектоидное превращение.
В результате этого превращения образуется механическая смесь, состоящая из феррита и цементита, то есть перлит. Содержание углерода в этой смеси – 0,8%. Последующее охлаждение до комнатной температуры не вызывает дополнительных превращений и структура сплава состоит из перлита и феррита.
В настоящее время в промышленности используется более 1500 марок сталей. По химическому составу стали, подразделяются на углеродистые и легированные. А любой стали, присутствуют постоянные (Si, Mn, S, P) и скрытые (О2, N2, Н2) примеси. По содержанию углерода стали, бывают доэвтектоидные (С0,8%) структура «перлит + феррит», эвтектоидные (С0,8%) структура «перлит », и заэвтектоидные (0,8 С 2,14%) структура «перлит + цемент». В зависимости от степени раскисления расплава Si, Mn и Аl стали, имеют различную степень загрязнения и называются спокойными (С.П.), полуспокойными (П.С.) и кипящими (К.П.). Наличие в стали серы и фосфора является основным критерием оценки её качества. В таблице 2 приведены предельно – допустимые содержания вредных примесей в стали различного качества.
Таблица 2.
№ |
Качество стали |
Содержание вредных примесей, в % |
Интервал колебания по содержанию углерода |
Условное обозначение |
|
сера |
фосфор |
||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
1 |
Сталь обык-новенного качества |
0,06 |
0,07 |
0,09 |
Ст.0 Ст.1 Ст.6 |
2 |
Сталь качественная |
0,04 |
0,035 |
0,08 |
Ст.45 40Х |
3 |
Сталь высо-кокачествен-ная |
0,025 |
0,025 |
0,07 |
Буква «А» в конце маркировки |
4 |
Сталь особо-высокока-чественная |
0,015 |
0,015 |
0,07 |
Буква «Ш» в конце маркировки |
Легированные стали – сплавы, в состав которых введены химические элементы для придания специальных свойств. Поэтому в маркировке стали в обязательном порядке указывают наличие такого элемента. Каждый легирующий элемент обозначают строго определённой буквой, а его количество указывают цифрой после буквенного обозначения. Отсутствие цифры означает, что такого легирующего элемента составляет 11,5% и менее. Условное обозначение, Х – хром; Н – никель; Т – титан; С – кремний; М – молибден; Ю – алюминий; Ф – ванадий; В – вольфрам; Д – медь; Г – марганец; К – кобальт; Б – ниобий; А – азот; Р – бор.
Примеры обозначения углеродистых и легированных марок сталей:
Ст. 0; Ст. 1Ст. 6- углеродистые стали обыкновенного качества. Цифра указывает на порядковый номер.
Сталь 10, Сталь 15 и т.д. – Стали углеродистые качественные. Цифра указывает на содержание углерода в сотых долях процента, а именно 0,10%; 0,15% и т.д.
Сталь 40Х – сталь качественная легированная, содержащая углерода 0,4%; хрома 1%, серы 0,035% и фосфора 0,035%.
Сталь 20Х2Н4ВА – сталь высококачественная легированная, содержащая: Углерод – 0,2%
Хром – 2%
Никель – 4%
Вольфрам 1%
Сера 0,025%
Фосфор 0,025%
При низком содержании углерода и большом количестве легирующего элемента (C , Мo, W, V, Si, Al и т.д.), образуется сталь, относящаяся к ферритному классу. Структура таких сталей при всех температурах состоит из легированного феррита. При высоком содержании в стали никеля и марганца при комнатной температуре можно получить чисто аустенитную структуру. Это класс сталей называют аустенитным. Кроме того, исходя из структуры полученной после охлаждения на воздухе, стали также бывают перлитного, мартенситного и карбидного классов.
На диаграмме Fe – Fe3C сплавы с содержанием углерода более 2,14% относятся к чугунам. В зависимости от содержания углерода, белые чугуны подразделяются на доэвтектичекие (2,14 С 4,3%), эвтектические (С4,3%) и заэвтектические (4,3 С 6,67%). Белые чугуны обладают высокой твёрдостью и износостойкостью. Углерод в таких сплавах находится в связанном состоянии в виде цемента (Fe3С). Это достигается за счёт высокой скорости кристаллизации расплава, и последующего ускоренного охлаждения изделий до температуры ниже точки А1.
При очень маленькой скорости охлаждения, то есть когда степень переохлаждения расплава невелика в сплаве образуется графит. Выделение графита в основном происходит из жидкой фазы и, кроме того, количество его увеличивается за счет распада аустенита.
В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов: серые, ковкие и высокопрочные. Чугуны маркируются следующим образом:
Ковкие – КЧ 30; КЧ 36 и тд.
Серые – СЧ 15; СЧ 40 и тд.
Высокопрочные – ВЧ 50; ВЧ 55 и тд.
Цифры указывают на минимальное значение предела прочности при растяжении.
Формы графита в чугунах:
Серых – пластичная; ковких – хлопьевидная; высокопрочных – шаровидная. Серые чугуны получают за счет медленного охлаждения расплава и изделия в форме, ковкие – путём высокотемпературного длительного отжига, высокопрочные – модифицированием расплава магнием или церием. Чугуны применяют в автостроении, двигателестроении и других отраслях народного хозяйства, как конструкционные материалы.
Литература: 1, 118 – 156; 3, 159 - 222