Шпоры по материаловедению
ВОПРОС 1. Цели и задачи
дисциплины. Схема маш. Процесса.
Цель дисциплины – методы изучения св-в мат-ов,
сравнение мат., выбор для различных конструкций.
Выбор мат – пр-во мат – пр-во
загот – пр. дет. – сборка узлов – сборка машин-конт.
Сущ. 3 критерия выбора мат-ов.
Этим занимается конструкторское бюро.
Сущ. 3 метода заготовки.
1) Литьё; 2) Обработка
давлением; 3) Сварочное пр-во.
Виды пр-ва деталей:
1) Электроиозионные; 2)
Лучевая; 3) Ультразвуковая; 4) Аозерная; 5) Электрохимические.
Тех. Св-ва показ. Отношение
мат-ов к различным технол. Про-ва.
1) Литейные св.; 2) Ковкость;
3) Свариваемость; 4) Обр. резанием; 5) др. виды обработки.
ВОПРОС 2. Основные км,
применяемые в машиностроении. Перспективы развития их пр.
Км – это мат применяемые в
машиностроении, для пр-ва деталей машин. Они делятся на металлические и не
металлические.
1) сталь – основной км. Мех
св-ва – прочность, хор обраб, пластичность, недорогая, около 800 млн в год в
России.
2) чугун – 350-400 млн. в
России
3) Алюминий – в виде сплавов.
Россия 1 место по пр-ву.
4) Медь – коррозийная
стойкость.
5) титановые сплавы –
жаростойкие.
Речь идёт о: совершенстве
технологий, повышение качества металлов, более полное использование мет.
ВОПРОС 3. Физические и
химические св-ва км.
Физические св-ва: Показыв отношение мат-ов к различным природным
явлениям. Плотность, электропроводность, теплопроводность, термоэлектронная
эмиссия.
Химические св-ва: Показ отношение мат-ов к различным хим процессам –
коррозии, друг к другу, к сферам.
ВОПРОС 4. Механические и
технологич св-ва км.
Механические св-ва: показ отношение мат-ов к различным мех воздействиям.
По ним рассчитыв конструкции:
1) Прочность; 2) предел
текучести; 3) предел пропорциональности; 4) ударная вязкость.
Технологические св-ва: показ отношение мет-ов к различным технологиям
обработки.
1) Литейные св-ва – как мат-л
относится к литью
2) Ковкость 0 отнош-е м-ов к
диф-ям под давлением
3) Свариваемость
4) Обработка резанием
5) отношение к физико-хим
методам обработки
ВОПРОС 5. Критерии выбора
км.
1) Эксплуатационный – учит. В
каких усл-ях будет работать данная машина. Оценивают физ св-ва, хим св-ва, мех
св-ва.
2) Технологический –
технологичность, как они будут обрабатываться;
3) Экономический – медные
сплавы в 8 раз дороже стали, Ni – 25
раз, титан – 80 раз, родий – 45000 раз.
ВОПРОС 6. Кр. строение мет
и сплав.
Все металлы кр тела, состоящие
из кр-ов. В каждом отд кр атомы имеют строгое положение и обр пространственную
решётку
Для мет. хар 3 вида решёток:
1) Объёмно-центрированно
кубическая (Fe, W, молибден).
2) Гране-центрированно
кубическая (Al, Pb, Ni, Au, Ag, Pl).
3) Гексогонально
плотноупакованная (кобальт, кадмий).
Св-ва металлов зависят от
типа решёток.
Параметры решёток:
1) Период решётки – расстояние
между атомами в узлах.
2) Координационное число –
кол-во атомов, нах на наим расст от взятого тела.
3) Базис – кол-во атомов
приходящ на 1я.
Чем больше 2 и 3 тем больше
атомов нах в ячейке и это плотноупак реш.
Металлы с ОЦК и ГЦК более Тв.
ВОПРОС 7. Реальное строение
металлов. Основные деф стр и их влияние на св-ва.
Все дефекты делятся на 3 гр.
1) Точечные; 2) Линейные; 3)
Плоскостные.
ВОПРОС 8. Способы исслед
строения и св-в км.
1) Макроанализ – пр-я на
изломах и на макротрещинах; 2) микроанализ – анализ м-ов с пом-ю микроскопов.
Имеется шкала сколько мы видим включений и какая бальность, чем больше вкл, тем
больше баллов;
3) Электронная микроскопия –
исследование тонкой стружки с помощью Эл микроскопа;
4) Рентгеноскопия – лучи
попадают на металл, отр-я на пл-ть и улавливаются приборами..
Исследование св-в:
1) Испытание на растяжение и
сжатие;
2) Определение Тв.
3) Определение вязкости.
ВОПРОС 11.
Железо-углеродистые сплавы (стали и чугуны). Компоненты, структурные
составляющие.
Fe-Fe3C
Эти сплавы наз-я «чёрными
металлами» и представляют собой стали и чугуны. Сталь – сплав железа с
углеродом 0-2,14%. Исходные компоненты Fe-Fe3C.
1) Железо – металл, при
комнатной т имеет решётку ОЦК, плотность 7,8гр. Тпл=1539, имеет полиморфные
превращения.
2) Углерод – не металл,
плотность 3,5гр, Тпл=3500, в природе в виде: графит, уголь, алмаз.
Может обр сл виды сплавов:
1) Тв раствор;
2) Хим соединения;
3) Может быть в виде отд фаз;
4) Входит в состав мех
смесей.
СТРУКТУРНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ:
1) Феррит – Тв раствор
внедрения углерода в железе альфа. Макс раствор 0,02%- при 727гр. Очень мягкий
НВ=80.
3) Цементит – хим. Соединение
железа и углерода, НВ=800. может быть первичный, вторичный, третичный
4) Ледебурит – мех смесь
мелкодисперсная 500НВ.
5) Перлит – мех смесь феррита
и цементита втор, углерода 08, при 727гр, перлит эвтектоид, НВ=200.
ВОПРОС 13. Классификация
сталей по структуре и назначению.
По структуре:
1) доэвтектоидные (углерод
0-0,8) в этой структуре наход. Феррит и перлит. Чем < С, тем >перлита,
сталь прочнее.
2) эвтектоидные (С=0,8). У них
в структуре один перлит, стали прочные.
3) заявтектоидные (С
0,8-2,14). У них в структуре нах П и Ц втор, стали очень твёрдые, менее вязки и
пластичны.
По назначению:
1) строительные (С 0,8-2,14) эти стали достаточно прочные,
хорошо прокатываются, свариваются.
2) Машиностроительные (С
0,3-0,8). У них больше перлита, поэтому они более ТВ, чем строительные, хотя
сокр вязкость и пластичность.
3) Инструментальные (С от
0,7-1,3). Это высокоуглер стали, очень ТВ., не пластичные.
4) Литейные стали – сплавы
идут на стальные отливки. С=0,035. малоуглеродистые стали.
ВОПРОС 14. Классификация
сталей по способу про-ва и качеству.
По способу пр-ва:
1) Кислый способ;
2) Основной способ –
нераскислённая сталь кп, спокойная СП, если после марки нет букв, то это
спокойная сталь, если не полностью раскислённая, то пс.
По качеству:
В
зависимости от содержания вредных примесей: серы и фосфора-стали подразделяют
на:
Стали
обыкновенного качества, содержание до
0.06% серы и до 0,07% фосфора. Сталь обыкновенного качества подразделяется еще
и по поставкам на 3 группы:
1.
сталь группы А поставляется
потребителям по механическим свойствам (такая сталь может иметь повышенное
содержание серы или фосфора);
2.
сталь группы Б - по
химическому составу;
3.
сталь группы В - с
гарантированными механическими свойствами и химическим составом.
1. Качественные
- до 0,035% серы и фосфора каждого отдельно.
2.Высококачественные - до 0.025% серы и фосфора.
3. Особовысококачественные, до 0,025% фосфора и до 0,015% серы.
ВОПРОС 15. Классификация
чугунов по структуре и виду нахождения углерода.
Чугунами
называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% углерода. Они
содержат те же примеси, что и сталь, но в большем количестве. В зависимости от
состояния углерода в чугуне, различают:
Белый
чугун, в котором весь углерод
находится в связанном состоянии в виде карбида, и чугун, в котором углерод в
значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в виде
графита, что определяет прочностные свойства сплава, чугуны подразделяют на:
1) серые
- пластинчатая или червеобразная форма графита;
2) высокопрочные
- шаровидный графит;
3) ковкие
- хлопьевидный графит. Чугуны маркируют двумя буквами и двумя цифрами,
соответствующими
минимальному значению временного сопротивления δв при растяжении в МПа-10. Серый чугун
обозначают буквами "СЧ" (ГОСТ 1412-85), высокопрочный -
"ВЧ" (ГОСТ 7293-85), ковкий - "КЧ" (ГОСТ 1215-85).
СЧ10 - серый чугун с
пределомпрочности при растяжении 100 МПа;
ВЧ70 -
высокопрочный чугун с сигма временным при растяжении 700 МПа;
КЧ35 -
ковкий чугун с δв растяжением примерно 350 МПа.
Для
работы в узлах трения со смазкой применяют отливки из антифрикционного чугуна
АЧС-1, АЧС-6, АЧВ-2, АЧК-2 и др., что расшифровывается следующим образом: АЧ -
антифрикционный чугун:
С -
серый, В - высокопрочный, К - ковкий. А цифры обозначают порядковый номер
сплава согласно ГОСТу 1585-79.
ВОПРОС
16. Легированные стали. Легирующие элементы. Маркировка л/с.
Легированные стали широко
применяют в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении, в автомобильной
промышленности, тяжелом и транспортном машиностроении в меньшей степени в
станкостроении, инструментальной и других видах промышленности. Это стали
применяют для тяжело нагруженных металлоконструкций.
Стали, в которых суммарное
количество содержание легирующих элементов не превышает 2.5%, относятся к
низколегированным, содержащие 2.5-10% - к легированным, и более 10% к высоколегированным
(содержание железа более 45%).
Наиболее широкое применение в
строительстве получили низколегированные стали, а в машиностроении -
легированные стали.
Легированные конструкционные
стали маркируют цифрами и буквами. Двухзначные цифры, приводимые в начале
марки, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы
справа от цифры обозначают легирующий элемент. Пример, сталь 12Х2Н4А содержит
0.12% С, 2% Cr, 4% Ni и относится к высококачественным, на что указывает в
конце марки буква ІАІ.
Строительные низколегированные стали
Низко легированными называют
стали, содержащие не более 0.22% С и сравнительно небольшое количество
недефицитных легирующих элементов: до 1.8% Mn, до 1,2% Si, до 0,8% Cr и другие.
К этим сталям относятся стали
09Г2, 09ГС, 17ГС, 10Г2С1, 14Г2, 15ХСНД, 10ХНДП и многие другие. Стали в виде
листов, сортового фасонного проката применяют в строительстве и машиностроении
для сварных конструкций, в основном без дополнительной термической обработки.
Низколегированные низкоуглеродистые стали хорошо свариваются.
Для изготовления труб большого
диаметра применяют сталь 17ГС (s0.2=360МПа, sв=520МПа).
Для изготовления деталей,
упрочняемых цементацией, применяют низкоуглеродистые (0.15-0.25% С) стали.
Содержание легирующих элементов в сталях не должно быть слишком высоким, но
должно обеспечить требуемую прокаливаемость поверхностного слоя и сердцевины.
Хромистые стали 15Х, 20Х
предназначены для изготовления небольших изделий простой формы, цементируемых
на глубину 1.0-1.5мм. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают
более высокими прочностными свойствами при некоторой меньшей пластичности в
сердцевине и лучшей прочности в цементируемом слое.
ВОПРОС 17. Виды и краткая
хар-ка ТО сталей.
Отжиг сталей.
Существует несколько разновидностей отжига, из них для конструкционных сталей
наибольшее применение находит перекристаллизационный отжиг, а для
инструментальных сталей - сфероидизирующий отжиг.
Характерный структурный дефект стальных отливок -
крупнозернистость.
При
ускоренном охлаждении крупнозернистого аустенита создаются условия для
образования видманштеттовой структуры. При ее образовании выполняется
принцип размерного и структурного соответствия, в результате чего кристаллы
доэвтектоидного феррита ориентированно прорастают относительно кристаллической
решетки аустенита и имеют форму пластин.
Нормализация сталей. Нормализации, так же как и перекристаллизационному отжигу, чаще всего
подвергают конструкционные стали после горячей
обработки давлением и фасонного литья.
Нормализация отличается от отжига в основном условиями охлаждения; после
нагрева до температуры на 50-70 °С выше температуры Ас3 сталь охлаждают
на спокойном воздухе.
Нормализация - более
экономичная термическая операция, чем отжиг, так как меньше времени
затрачивается на охлаждение стали. Кроме того, нормализация, обеспечивая
полную перекристаллизацию структуры, приводит к получению более высокой
прочности стали, так как при ускорении охлаждения распад аустенита происходит
при более низких температурах.
После нормализации
углеродистых и низколегированных сталей, так же как и после отжига, образуется
ферритно-перлитная структура, однако имеются и существенные структурные отличия.
При ускоренном охлаждении, характерном для нормализации, доэвтектоидный
феррит при прохождении температурного интервала Аr3 – Аr1 выделяется на границах зерен аустенита; поэтому кристаллы феррита
образуют сплошные или разорванные оболочки вокруг зерен аустенита — ферритную
сетку.
Закалка сталей. В большинстве случаев при закалке
желательно получить структуру наивысшей твердости, т. е. мартенсит, при
последующем отпуске которого можно понизить твердость и повысить пластичность
стали. При равной твердости структуры, полученные
В зависимости от температуры
нагрева закалку называют полной и неполной. При полной закалке сталь переводят
в однофазное аустенитное состояние, т. е. нагревают выше критических
температур.
Доэвтектоидные стали, как
правило, подвергают полной закалке, при этом оптимальной температурой нагрева
является температура Ас3 + (30— 50 С). Такая температура обеспечивает
получение при нагреве мелкозернистого аустенита и, соответственно, после
охлаждения - мелкокристаллического мартенсита. Недогрев до температуры Ас3,
приводит к сохранению в структуре кристаллов доэвтектоидного феррита, что при
некотором уменьшении прочности обеспечивает повышенную пластичность
закаленной стали. /Заэвтектоидные стали подвергают неполной
закалке. Оптимальная температура нагрева углеродистых и низколегированных
сталей- температура Ас1 + (30-50°С).
После закалки заэвтсктоидная сталь
приобретает структуру, состоящую из мартенсита и цементита
Отпуск закаленных
сталей. Нагрев закаленных
сталей до температур, не превышающих А1,
называют отпуском.
В результате закалки чаще
всего получают структуру мартенсита с некоторым количеством остаточного аустенита,
иногда-структуру сорбита, тростита или бейнита. Рассмотрим изменения структуры
мартенситно-аустенитной стали при отпуске.
При отпуске происходит
несколько процессов. Основной —
распад мартенсита, состоящий в выделении углерода в виде карбидов. Кроме того,
распадается остаточный аустенит, совершаются карбидное превращение и
коагуляция карбидов, уменьшаются несовершенства кристаллического строения -твердого раствора и остаточные
напряжения.
Фазовые
превращения при отпуске принято разделять на три превращения в зависимости от
изменения удельного объема стали. Распад мартенсита и карбидное превращение
вызывают уменьшение объема, а распад аустенита — его увеличение.
ВОПРОС
18. Химико-термическая обработка сталей.
Это
обработка, связанная с нагревом и одновременно насыщением пов-ти др элементами,
т.е. нагрев идёт в специальных средах и элемент этих сред вкрапываются в
металл. Т.е. в основе ХТО лежит диффузионные процессы. Диффузия идёт тем
полнее, чем выше темп на пов-ти сред, чем больше концентрация диф-го элемента,
чем больше длительность пр-са, чем больше давление. Обычно длительность пр-ва
достигает нескольких часов Т=600-1000. глубина слоя нанос-го э-та 0,1мм. Диф
Эл-та могут обр-ть твёрдые р-ры, корбиды, нитриды, бориды.
1)
Цементация – насыщение углеродом. Чем>С,
тем твердее и прочнее сталь. Цем-я позволяет осущить в дальнейшем пов-ую
закалку, производиться при 920-950гр. Газовая цементация в среде, сод-й окиси
углерода в прир газе. Глубина цем-го слоя 1,2мм. Выдерживается 10-12ч.
2)
Азотирование – насыщение азотом. Азот,
диф-я в сталь, даёт нитриды железа, а они износостойкие, твёрдые,
корозийностойкие. В среде азотсодержащей слой 0,3-0,5мм.
3)
Нитроцементация – насыщение углеродом и азотом, при 840-860гр.
4)
Оксидирование – насыщение кислородом. Обр-я мелкодисперсные оксиды 600гр
толщина до 1мм. Повышается коррозийная стойкость, износостойкость.
6)
Алитирование – насыщение алюминием, 800гр. Идёт нас-е ал, повыш жаростойкость,
ковкость, корозостойкость.
ВОПРОС
19. Способы защиты металлов и сплавов от коррозии.
1)
Покрытие поверхности лаком, краской, эмалью. Изолирование металла от внешней
среды.
2)
создание сплавов с антикоррозийными св-ми. Введением в состав стали до 12%
хрома – нержавейка.
3)
Протекторная защита и электрозащита. Сущность такой защиты в том, что
конструкцию соединяют с протектором – более активным металлом, чем исходный.
4)
Изменение состава среды – замедление коррозии вводят в электролит.
ВОПРОС
20. Медные и алюминиевые сплавы, их хар-ка, маркировка, области применения.
Медь и её сплавы.
Технически чистая медь обладает высокими пластичностью
и коррозийной стойкостью, малым удельным электросопротивлением и
высокой теплопроводностью. По чистоте медь подразделяют на марки (ГОСТ 859-78):
После обозначения марки указывают способ изготовления
меди: к - катодная, б – бес кислородная, р - раскисленная. Медь огневого
рафинирования не обозначается.
МООк - технически чистая катодная медь, содержащая не
менее 99,99% меди и серебра.
МЗ - технически чистая медь огневого рафинирования, содержит
не менее 99,5%меди и серебра.
Медные сплавы разделяют на бронзы и латуни. Бронзы-
это сплавы меди с оловом (4 - 33% Sn хотя бывают без оловянные
бронзы), свинцом (до 30% Pb), алюминием (5-11% AL), кремнием
(4-5% Si), сурьмой и фосфором.
Алюминий и его сплавы.
Алюминий
- легкий металл, обладающий высокими тепло- и электропроводностью,
стойкий к коррозии. В зависимости от степени частоты первичный алюминий
согласно ГОСТ 11069-74 бывает особой (А999), высокой (А995, А95) и технической
чистоты (А85, А7Е, АО и др.). Алюминий маркируют буквой А и цифрами,
обозначающими доли процента свыше 99,0% Al; буква
"Е" обозначает повышенное содержание железа и пониженное кремния.
А999 -
алюминий особой чистоты, в котором содержится не менее 99,999% Al;
А5 -
алюминий технической чистоты в котором 99,5% алюминия. Алюминиевые сплавы
разделяют на деформируемые и литейные. Те и другие могут быть не упрочняемые и
упрочняемые термической обработкой.
Деформируемые
алюминиевые сплавы хорошо обрабатываются
прокаткой, ковкой, штамповкой. Их марки приведены в ГОСТ4784-74. К
деформируемым алюминиевым сплавам не упрочняемым термообработкой, относятся
сплавы системы Al-Mn и AL-Mg:Aмц; АмцС; Амг1; АМг4,5; Амг6. Аббревиатура включает в
себя начальные буквы, входящие в состав сплава компонентов и цифры, указывающие
содержание легирующего элемента в процентах. К деформируемым алюминиевым
сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы системы Al-Cu-Mg с
добавками некоторых элементов (дуралюны, ковочные сплавы), а также
высокопрочные и жаропрочные сплавы сложного хим.состава. Дуралюмины маркируются
буквой "Д" и порядковым номером, например: Д1, Д12, Д18, АК4, АК8.