Методические указания к выполнению контрольной работы №3 по курсу «материаловедение и ткм» для студентов специальности 100400 (заочной формы обучения)

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

Балаковский институт техники, технологии и управления

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению контрольной работы № 3

по курсу «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТКМ»

для студентов специальности 100400

(заочной формы обучения)

Одобрено

редакционно-издательским советом

Балаковского института техники,

технологии и управления

Балаково 2008 ВВЕДЕНИЕ

По курсу «Технология конструкционных материалов и материаловедение» выполняют три контрольные работы, цель которых проверить усвоение студентами содержания курса и приобретенных навыков сознательного использования полученных знаний в инженерной практике.

контрольная работа №3 содержит вопросы по разделу «Материаловедение и технология конструкционных материалов».

Контрольные задания имеют по десять вариантов. Студент выполняет тот вариант задания, номер которого соответствует последней цифре шифра. Например, студент, имеющий шифр 176245, выполняет вариант 5, а имеющий шифр 1761020 выполняет вариант 10.

ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К СОДЕРЖАНИЮ И ОФОРМЛЕНИЮ ЕОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

Содержание контрольной работы должно соответствовать установленному варианту. Произвольные отклонения от порядка выбора задания не допускаются и контрольные варианты, выполненные не на тему или с отклонениями от нее, не засчитываются. Контрольные задания выполняют в письменном виде. Текст вопросов должен быть написан перед ответом на вопрос и подчеркнут. Ответы на вопросы контрольных заданий должны быть четкими и ясными, основываться на теоретических положениях, изложенных в рекомендуемых учебниках, иллюстрироваться схемами, эскизами, а также примерами из учебной литературы или из практики предприятия, на котором студент работает. Ответы на вопросы контрольных заданий следует давать своими словами, а не переписывать соответствующий текст учебника или учебного пособия. Эскизы, схемы и чертежи выполняются от руки в масштабе с указанием основных размеров, сечений и разрезов по правилам Единой системы конструкторской документации (ЕСКД). Страницы контрольной работы, таблицы и рисунки пронумеровать, при этом рисунки, эскизы и схемы должны иметь поясняющие подписи. При ответе следует ссылаться на иллюстративный материал. На страницах работы необходимо оставить поля для замечаний рецензента. Страницы контрольной работы должны нумероваться внизу справа. Таблицы, рисунки, эскизы и схемы, кроме нумерации, должны иметь поясняющие подписи. Объем выполняемого задания – 10-12 страниц стандартной ученической тетради. В конце выполненного задания студент приводит список использованной литературы по ГОСТ 7.1-2003, указывает дату выполнения работы и ставит свою подпись.

Если работа не зачтена, то она посылается на повторное выполнение. Без выполненной контрольной работа студенты не допускаются к экзамену, Исправленная контрольная работа сдается в деканат.

ВАРИАНТЫ КОНТРОЛЬНОГО ЗАДАНИЯ № 3

Вариант 1

1. Вычертите диаграмму состояния железо - карбит железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 1,1%. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

2. С помощью диаграммы состояния железо-цементит установите температуру полной и неполной закалки для стали 45 и опишите структуру и свойства стали после каждого вида термической обработки.

3. Для элементов сопротивления выбран сплав манганин МНМцЗ-12. Расшифруйте состав сплава и укажите, к какой группе относится данный сплав по назначению. Опишите структуру и элект­ротехнические характеристики этого сплава.

Вариант 2

1. Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую нагревания в интервале температур от 0 до 1600°С (с применением правил фаз) для сплава, содержащего 1,7% С. Для данного сплава определите при температуре 1400°С процентное содержание углерода в фазах, количественное соотношение фаз.

2. Для изготовления фрез выбрана сталь 9ХС. Укажите состав и определите, к какой группе относится данная сталь по назначе­нию. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяс­нив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки данной стали. Опишите микрострук­туру и свойства стали после термической обработки.

3. Для изготовления деталей самолета выбран сплав Д1. Рас­шифруйте состав, опишите способ упрочнения сплава и объясните природу упрочнения. Укажите характеристики механических свойств сплава.

Вариант 3

1. Вычертите диаграмму состояния железо — карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0°
С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 2,3% С. Выберите для заданного сплава любую температуру между линиями ликвидус и солидус и определите состав фаз, то есть, процентное содержание углерода в фазах; количественное соотношение фаз.

2. Углеродистые стали У8 и 35 имеют после закалки и отпуска структуру мартенсит отпуска и твёрдость: первая - НRС60; вторая - НRС50. Используя диаграмму состояния железо - карбид железа и учитывая превращения, происходящие при отпуске, укажите температуру отпуска для каждой стали. Опишите все превращения, происходящие в этих сталях в процессе отпуска, и объясните, почему сталь У8 имеет большую твёрдость, чем сталь 35.

3. Опишите свойства, способ получения, изготовления деталей и применения его в машиностроении спеченной алюминиевой пудры САП.

Вариант 4

1. Вычертите диаграмму состояния железо- цементит (карбид железа), укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения в сплаве, содержащем 0,8%С при температуре от 0° до 1600°С.

2. Используя диаграмму состояния железо-карбид железа и кривую изменения твердости в зависимости от температуры отпуска, назначьте для углеродистой стали 40 температуру закалки и температуру отпуска, необходимые для обеспечения твердости 400НВ. Опишите превращения на всех этапах термической обработки и получаемую структуру.

3. Для изготовления инструментов высокой производительности применяются быстрорежущие стали Р12 и Р10К5Ф2. Расшифруйте состав сталей и укажите, к какой группе относятся данные сплавы по назначению.

Вариант 5

1. Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите пре­вращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 2,2%С. Какова структура этого сплава при ком­натной температуре и как такой сплав называется?

2. Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали У8. Нанесите на нее кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей получение твердости 150 НВ. Укажите, как этот режим называется и какая структура получается в данном случае.

3. Какой порошковый твёрдый сплав применяется для режущих инструментов при обработке материалов, дающих прерывистую стружку (чугун, цветные металлы, фарфор, керамика и т.п.). Приведите марки порошковых твёрдых сплавов, расшифруйте состав сплавов и область применения по основным группам.

Вариант 6

1. С помощью диаграммы состояния железо-цементит обоснуйте выбор режима термической обработки, применяемой для устранения цементитной сетки в заэвтектоидной стали. Дайте определение выбранно­го режима обработки и опишите превращения, которые происходят при нагреве и охлаждении.

2. Сталь 40 подвергалась закалке от температур 760 и 840°С. С по­мощью диаграммы состояния железо-цементит укажите, какие структу­ры образуются в каждом случае. Объясните причины образования разных структур и рекомендуйте оптимальный режим нагрева под закалку дан­ной стали.

3. Опишите основные преимущества оснащения лезвийных инструментов сверхтвёрдыми материалами по сравнению с обычной быстрорежущей сталью.

Вариант 7

1. Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите пре­вращения и постройте кривую охлаждения (с применением правша фаз) для сплава, содержащего 0,4%С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

2. Используя диаграмму состояния железо-цементит, установите температуры нормализации, отжига и закалки для стали У12. Охаракте­ризуйте эти режимы термической обработки и опишите структуру и свойства стали после каждого вида обработки.

3. Для изготовления пресс-форм и штампов выбрана сталь 4ХВ2С. Рас­шифруйте состав, опишите способ упрочнения стали и объясните природу упрочнения. Укажите характеристики механических свойств стали.

Вариант 8

1. Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажи­те структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 0,7% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

2. Плашки из стали У11А закалены: первая - от температуры 760°С, вторая - от температуры 850°С. Используя диаграмму состояния желе­зо — цементит, укажите температуры закалки, объясните, какая из этих плашек закалена правильно, имеет более высокие режущие свойства и почему

3. Для изготовления обшивки самолета выбран сплав В95. Рас­шифруйте состав, опишите способ упрочнения сплава и объясните природу упрочнения. Укажите характеристики механических свойств сплава.

Вариант 9

1. Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажи­те, структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 5,0% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

2. Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита стали У8. Нанесите на нее кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей твердость 20...25 HRC. Укажите, как этот режим назы­вается и какая структура образуется в данном случае?

3. Режущий инструмент из стали У10 был перегрет при закалке. Расшифруйте марку стали, область её применения и объясните, чем вреден перегрев и как можно исправить этот дефект?

Вариант 10

<

p>1. Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите пре­вращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 3,6%С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

2. С помощью диаграммы состояния железо-цементит установите температуру полного и неполного отжига и нормализации для стали 20. Охарактеризуйте эти режимы термической обработки и опишите струк­туру и свойства стали.

3. Для изготовления сильно нагруженных подшипников скольжения выбран сплав БрС30. Расшифруйте состав сплава, к какой группе относятся данные сплавы по назначению.

ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНОГО ЗАДАНИЯ № 3

1. Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали У8, нанесите на нее кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей получение твердости 45...50 HRС. Укажите, как этот режим называется, опишите сущность превращений и какая структура получается в данном случае.

2. Как изменяются структура и свойства стали 40 и У12 в результате закалки от температуры 750 и 850°С. Объясните с применением диаграм­мы состояния железо-цементит. Выберите оптимальный режим нагрева под закалку каждой стали.

3. Стекловолокнит СВАМ. Опишите свойства, способ получения, изготовления деталей и применения его в машиностроении.

Решение

1.
В зависимости от склонности к росту аустенитного зер­на при нагреве стали бывают мелко- или крупнозернистыми. Мелкозернистые стали в интервале температур нагрева 950...1000°С почти не изменяют величину зер­на. У крупнозернистых сталей рост зерна начинается сразу же после перехода через критическую точку. От­сюда вытекает необходимость строгого соблюдения тех­нологических режимов термической обработки, оказы­вающих решающее влияние на качество изделий.

Возможность упрочнения сталей путем термической обработки обусловлена наличием аллотропических превращений в твердом состоянии. Охлаждая аустенит с различными скоростями и вызывая тем самым различную степень переохлажде­ния, можно получить продукты распада аустенита, резко отли­чающиеся по строению и свойст­вам.

Вычертим диаграмму изотермического превращения аустенита (рис.1).

Рис. 1. Диаграмма изо­термического превраще­ния аустенита

Кривая 1 графика соответству­ет началу распада аустенита при различных степенях переохлажде­ния; левее ее находится переох­лажденный аустенит (область А). Кривая 2
показывает окончание процесса распада аусте­нита на ферритоцементитную смесь (область П). Горизонтальная прямая Мн

характеризует начало, а прямая Мк
—
конец бездиффузионного превращения аустенита в мартенсит. На диаграмме показаны кривые скоростей охлажде­ния стали. Малая скорость охлаждения v
1
приводит к об­разованию грубой смеси феррита и цементита, перли­та с твердостью HRC 10. Чем больше скорость охлажде­ния, тем более мелкодисперсная образующаяся феррито-цементитная смесь.

Сорбит (первая закалочная структура), получаю­щийся при скорости охлаждения стали v
2
,
представляет собой смесь феррита и цементита; он отличается от перлита более тонкодисперсным строением, твердость сор­бита HRC20. Стали с сорбитной структурой износостой­кости, используются для изготовления нагруженных из­делий.

Троостит (вторая закалочная структура) получа­ется при скорости охлаждения v
1
в результате распада переохлажденного аустенита при 500...550°С, обладaeт значительной упругостью; представляет собой тонкодис­персную смесь феррита и цементита. Твердость троостита составляет HRC 30.

Сталь со структурой троостита отличается высокими значениями прочности и упругости. Ее используют, глав­ным образом, для изготовления пружин и рессор.

Превращение аустенита в мартенсит происходит при очень быстром охлаждении (v
5
>v
кр
). При этом фик­сируется типичная для мартенсита игольчатая структура. Он представляет собой пересыщенный твердый pacтвop углерода в α-железе. Мартенсит — твердая и хрупкая структура; твердость его составляет HRC62...66.

При непрерывном охлаждении стали У8 структура состоит из троостита и мартенсита, что соответствует скорости охлаждения v
4
стали (см. рис.1).

2.
Закалка
—процесс нагрева стали выше точки Ас3
(полная закалка) или Ас1
Ас
(неполная) на 30...50°С с по­следующим быстрым ох­лаждением сталей, содержащих углерода более 0,3 %,.

Цель закал­ки
— получение высокой твердости и заданных физико-механических свойств. Способность ста­ли принимать закалку возрастает с увеличением содержания в ней углерода. При содержании угле­рода менее 0,2 % сталь практически не закалива­ется.

На рис. 2 приведена диаграмма интервалов температур для закалки железоуглеродистых ста­лей.

Рис. 2. Температурный интервал закалки и отпуска стали:

I - полная закалка; II - неполная закалка;III - высокий отпуск

Сталь 40 – это доэвтектоидная сталь (С<0,8%), её подвергают полной закалке
. Структура такой стали состоит из феррита (белые включения) и перлита (темные включения).

После охлаждения закаленной стали в воде при ком­натной температуре в структуре образуется мелкоигольчатый мартенсит и небольшое количество остаточного аустенита (1...2%). Нагрев стали при закалке значи­тельно выше критической точки Ас3
(на 150...200°С) приводит к ее перегреву. В результате получается крупноигольчатый мартенсит, и сталь приобретает понижен­ную ударную вязкость. Нагрев стали 40 вы­ше точки Ас1
, но ниже точки Ас3
,
приводит к неполной за­калке.
В структуре такой стали наряду с мартенситом присутствуют участки феррита. Эта сталь имеет понижен­ную твердость.

На рис.3 приведено схематическое изображение структурных превращений для доэвтектоидных сталей, имеющих место при полной закалке (а) – нагрев до тем­пературы выше точки Ас3
, и неполной закалке (б) – на­грев до температуры выше точки Ас1
.

Рис.3. Структурные превращения в доэвтектоидной стали при за­калке:

а –
полная закалка; б – неполная закалка

Сталь У12 – это заэвтектоидная сталь (С>0,8%), её подвергают неполной закалке
. На рис. 4 приведена схема структурных превраще­ний, происходящих при закалке заэвтектоидной стали. Если заэвтектоидную сталь нагреть выше точки Асm
,
то в структуре ее будет крупноигольчатый мартенсит с по­вышенным количеством остаточного аустенита (рис.4 б),
что приведет к снижению твердости стали. Поэтому все заэвтектоидныё стали подвергают неполной закалке (рис.4 а). Структура этих сталей состоит из мартен­сита и цементита.

Рис. 4. Структурные превращения в заэвтектоидной стали при закалке:

а– неполная закалка; б – полная закалка

3.
Стекловолокнистый анизотропный материал (СВАМ) получают прессованием листов стеклошпона, пропитан­ных смолой. Стеклошпон изготовляется из стеклянных нитей, которые склеиваются между собой сразу после из­готовления. Листы стеклошпона располагаются в матери­але так, чтобы волокна соседних листов располагались под углом 90°. СВАМ обладает высокой прочностью, химичес­кой стойкостью, хорошими электроизоляционными свой­ствами, теплостоек до 200-400°С. Применяется для изго­товления корпусов судов, цистерн, контейнеров, вентиля­ционных труб, деталей летательных аппаратов, а также в качестве электроизоляционного материала. Стекловолокнистый анизотропный материал (СВАМ) химически стойкий, негорючий, предельная температура длительной работы 280°С, имеет высокую прочность =80…500 МПа, технологичны. Кроме того, благодаря демпфирующей способности, их используют для работы в условиях вибрационных нагрузок.

Из стекловолокнитов делают высокоточные, любой конфигурации (с резьбой и со стальной арматурой) крепёжные изделия и детали машин. Достоинством стекловолокнитов является недефицитность и низкая стоимость упрочнения, недостатком – сравнительно низкий модуль упругости. Однако по удельной жесткости они превосходят легированные стали и сплавы алюминия, магния и титана (2500 – 2800 км).

Если длинные стеклянные волокна укладываются закономерно и отдельными прядями, то получаются ориентированные стекловолокниты марок АГ-4С, ВМ-1 и др., повышающие свои механические свойства в сравнении с обычными стекловолокнитами в 3…5 раз и более.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дриц М. Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение – М., 1990. – 447 с.: ил.

2. Гуляев А.П. Материаловедение: учебник для вузов. – М.: Металлургия, 1986. – 544с.

3. Солнцев Ю.П., Пряхин Е. И., Войткун Ф.: Материаловедение: учебник для вузов/ под. ред. Солнцева Ю.П. – М.: МИСиС, 1999. – 600с.: ил.

4. Лахтин Ю. М., Леонтьева В.В. Материаловедение: учебник для вузов. – М.: Машиностроение, 1990. – 528с.: ил.

5. Технология конструкционных материалов: учебник / Г.А. Прейс,

Н. А. Сологуб, И.А. Рожнецкий и др. – К.: Высш. шк., 1991. – 391 с.: ил.

6. Материаловедение: учебник для вузов/ под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина – 5 е изд. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 648.: ил.

7. Пейсахова А.М., Кучер А.М. Материаловедение и технология конструкционных материалов. учебник. – СПб.: Изд-во Михайлова В.А., 2003.– 407с.

8. Технология конструкционных материалов и материаловедение: метод. указания и контрольные задания для студентов машиностроительных специальностей заочной формы обучения для высших учебных заведений / под ред. Л. Н. Бухаркина. – М.: Высш. шк., 1984. – 87с., ил.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение 2

Требования, предъявляемые к содержанию

и оформлению контрольной работы 2

Задания на контрольную работу № 3 4

Пример выполнения контрольного задания № 3 9

Литература 15

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению контрольной работы № 3

по курсу «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТКМ»

для студентов специальности 100400

(заочной формы обучения)

Составила Кудашева Ирина Олеговна

Рецензент В.Н. Евсюков

Редактор Л.В. Максимова

Корректор А.М. Фогачева

Подписано в печать Формат 60 х 84 1/16

Бумага тип. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 150 экз. Заказ Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77

Копипринтер БИТТиУ, 413840, г. Балаково, ул. Чапаева, 140