Тема 1. Строение и кристаллизация металлов, диффузионные процессы в металле

Атомно-кристаллическое строение металлов. Типы кристаллических решеток. Полиморфные и магнитные превращения в сталях. Влияние вида связей и типа решетки на свойства металлов.

Строение реальных металлов. Дефекты кристаллического строения: точечные, линейные и поверхностные. Термодинамические основы кристаллизации металлов. Законы кристаллизации. Характеристика первичной структуры поликристаллов. Ее зависимость от теплофизических условий кристаллизации (скорости охлаждения, преимущественного направления отвода тепла и т.д.). строение и свойства сплавов. Диффузия и структура сплавов. Строение металлического слитка. Методы исследования металлов.

Методические указания

С целью более рационального выбора материалов для создания различных конструкций необходимо изучить строение и свойства кристаллических веществ, основные типы межатомной связи в них, типы кристаллических решеток и их параметры, а также расположение атомов в элементарных ячейках.

Следует ознакомиться с фазовыми превращениями в твердом растворе, связанные с диффузией и самодиффузией в сплавах, зависимостью коэффициента диффузии от температуры.

Изучая строение реальных кристаллов в металлах, необходимо разобраться в механизме образования кристаллов, внутреннем кристаллическом строении зерна и различных дефектах (несовершенствах) в кристаллических решетках реальных металлов, нарушающих связи между атомами и оказывающих влияние на свойства металлов.

Необходимо запомнить различия при переходе из жидкого состояния в твердое состояние (и обратно), аморфного и кристаллического тела при изменении свободной энергии жидкого и твердого металла в зависимости от температуры согласно второму закону термодинамики.

Кроме того, надо изучить закон кристаллизации, используя схему роста кристаллов по И.Л.Миркину, характер изменения скорости роста кристаллов и скорости зарождения центров кристаллизации в зависимости от степени переохлаждения, а также строение металлического слитка, дендритную форму кристаллов, характерные зоны при кристаллизации стального слитка.

При изучении методов исследования металлов основное внимание необходимо уделить сущности конкретного метода определения химического состава металла, метода исследования его структуры или физического метода (физико-химического, дилатометрического и т.д.).

Литература: [1], с.81-105; [2], с.7-37; [3], с.20-40; [6], с.6-47; [7], с.9-54; [8], с.49-67.

Вопросы для самоконтроля

1. Чем характеризуется кристаллическое строение веществ?

2. Что называют элементарной кристаллической ячейкой?

3. Какие превращения называют полиморфными? Назовите металлы, обладающие полиморфизмом.

4. Изложите схему кристаллизации чистых металлов.

5. Охарактеризуйте зоны кристаллизации металлического слитка.

6. Чем отличается макроструктура от микроструктуры?

7. Чему равно координационное число для решеток ОЦК, ГЦК и ГПУ?

8. Чем отличается линейная дислокация от винтовой дислокации?

9. Какое условие необходимо для протекания процесса кристаллизации?

10. Как получить мелкое зерно в литом металле?

11. Когда процесс кристаллизации протекает быстрее – при небольшой, большой или очень большой степени переохлаждения?

 

Тема 2. Упругая и пластическая деформация. Пути повышения прочности металлов и сплавов.

Физическая природа деформации металлов. Стандартные механические свойства: твердость, свойства при статическом растяжении, ударная вязкость, усталость металлов, остаточные напряжения.

Упругая деформация. Пластическая деформация. Механизмы пластической деформации. Роль дефектов атомно-кристаллического строения металлов в пластическом деформировании. Генерация дислокаций. Текстура деформации. Влияние пластической деформации на свойства металлов. Прочность как функция плотности дислокаций. Сущность явления сверхпластичности металлов и сплавов. Разрушение металлов.

Методические указания

При изучении этой темы необходимо разобраться в физической природе деформации металлов, выяснить отличия упругой и пластической деформации, рассмотреть зависимость между нагрузкой, напряжением и деформацией. Особое внимание следует уделить механизму пластической деформации, ее влиянию на структуру металла и плотность дислокаций.

Увеличение прочности достигается созданием соответствующих композиций сплавов и технологий обработки.

Необходимо ознакомиться с понятием «сверхпластичности», изучить условия, при которых она обнаруживается у металлов и сплавов, знать характер протекания деформации при проявлении сверхпластичности.

Основными механическими свойствами материалов являются прочность, пластичность, упругость, вязкость, твердость. Зная механические свойства можно выбрать соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность машин и конструкций при их минимальной массе.

Необходимо усвоить основные методы исследования механических свойств металлов и физический смысл определяемых при разных методах исследования характеристик.

Следует также изучить процессы, происходящие в металле при разрушении, и виды разрушений, роль дислокаций в проявлении микротрещин, четко представлять различия хрупкого, вязкого, транскристаллитного и интеркристаллитного разрушения, ознакомиться с методами исследования тонкой структуры излома образцов при их испытании на ударный изгиб.

Литература: [1], с.125-137; [2], с.68-80, 110-117; [3], с.47-68, 159-167; [5], с.24-40; [6], с.55-75; [7], с.69-75.

Вопросы для самоконтроля

1. В чем отличие между упругой и пластической деформациями?

2. Что понимают под твердостью материала? Перечислите методы определения твердости.

3. Что называют вязкостью?

4. Что такое порог хладноломкости?

5. Каким способом надо измерять твердость листовой мягкой стали толщиной 1 мм?

6. Как связано число твердости НВ с временным сопротивлением σ_в?

7. Какой образец будет иметь более высокий предел выносливости - шлифованный или полированный?

8. Что называют текстурой деформации и как она влияет на свойства металлов?

9. Какое влияние оказывают дислокации на прочность металла?

10. Что называется сверхпластичностью? Назовите условия ее проявления.

11. Каковы признаки вязкого и хрупкого разрушений?

12. Объясните механизм образования и рост трещин.

13. Назовите особенности структуры вязкого и хрупкого разрушений.

14. Перечислите механические свойства, определяемые при статиче­ских и динамических испытаниях.

Тема 3. Рекристаллизация металлов. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла

Явления возврата и полигонизации. Механизм первичной рекристаллизации. Собирательная и вторичная рекристаллизация. Температурные интервалы отдельных видов рекристаллизации. Факторы, влияющие на размер зерна после рекристаллизации. Разнозернистость. Холодная и горячая деформация.

Методические указания

Прежде всего, необходимо усвоить сущность рекристаллизационных процессов: возврата, первичной рекристаллизации, вторичной (собирательной) рекристаллизации, - протекающих при нагреве деформированного металла.

Следует выяснить, как при этом изменяются механические, физико-химические свойства и размер зерна, оценить влияние состава сплава и сте­пени пластической деформации на протекание рекристаллизационных про­цессов.

Особое внимание надо уделить процессу изменения структуры и свойств наклепанного металла при возврате (отдыхе) и рекристаллизации.

Литература: [3], с. 60-68; [2], с. 81-87; [4], с. 146-153; [6], с. 23-37; [7], с. 78-88; [8], с. 79-83.

Вопросы для самоконтроля

1. Чем отличается процесс первой стадии возврата от полигонизации?

2. Укажите факторы, оказывающие влияние на температурный процесс рекристаллизации.

3. Чем вызван процесс собирательной рекристаллизации?

4. В каком случае рекристаллизованное зерно будет крупнее: после деформации на 30 или на 70 %?

5. Как изменяются строение и свойства металла при горячей деформации?

6. Опишите назначение рекристаллизационного отжига.

7. В чем сущность явления наклепа и как он используется на практике?

8. Какие факторы оказывают влияние на температурный процесс рекристаллизации?

9. Что называют горячей, теплой и холодной деформацией?

 

Тема 4. Напряжение и деформация.

Конструктивная прочность металлов и сплавов

Понятие о конструктивной прочности материалов. Жесткость конструкции. Прочность конструкционных материалов. Удельная прочность конструкционных материалов. Свойства, определяющие надежность и долго­вечность конструкции. Влияние низких температур, ударных нагрузок на надежность металлов и сплавов.

Методические указания

При выборе материала для какой-либо конструкции или изделия обычно учитывается не один или два каких-либо критерия, характеризующих свойства материала, а возникает необходимость знать его конструктивную прочность, характеризующую определенный комплекс механических свойств, обеспечивающих длительную и надежную работу материала в условиях его эксплуатации.

Необходимо дать определение конструктивной прочности материала, изучить основные типы разрушений при деформировании металла, меха­низм хрупкого и пластичного (вязкого) разрушения, оценить влияние тем­пературы на хладноломкость металла, а также влияние концентраторов на­пряжений - основного фактора хрупкости металла.

Следует усвоить понятие порога хладноломкости - одного из основ­ных параметров конструктивной прочности металлов, отражающего каче­ственную характеристику, прогнозирующую поведение материала в экс­плуатационных условиях.

Изучая свойства, определяющие долговечность изделий, следует под­робно ознакомиться с методами испытаний материалов на усталость, пол­зучесть, износ, коррозию и т. д.

Особое внимание необходимо уделить изучению процесса изнашивания, в результате которого изменяются размеры деталей, увеличиваются зазоры между трущимися поверхностями, вызывающие отказ машин и механизмов.

Изучая жаростойкость и жаропрочность металлов и сплавов, нужно обратить серьезное внимание на сущность происходящих процессов, ос­новные способы повышения жаростойкости и жаропрочности, критерии их оценки, классификацию жаропрочных сталей, а также на свойства жаро­прочных сплавов на основе никеля и тугоплавких металлов.

В заключение следует изучить общие сведения о коррозии металлов, важнейшие законы их окисления, виды коррозии, основные способы защиты против коррозии металлов и сплавов в различных средах.

Литература: [3], с. 47-123; [2], с. 68-80; [1], с. 125-144, 249-251; [5], с. 390-402; [6], с. 24-29; [7], с. 55-69, 303-434; [8], с. 83-103, 177-219.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое концентраторы напряжений и почему они опасны?

2. В чем отличие между упругой и пластической деформациями?

3. Что называют текстурой деформации и как она влияет на свойства металлов?

4. Какое влияние оказывают дислокации на прочность металла?

5. Что называется сверхпластичностью? Назовите условия ее проявления.

6. Каковы признаки вязкого и хрупкого разрушений?

7. Объясните механизм образования и рост трещин.

8. Назовите особенности структуры вязкого и хрупкого разрушений.

9. Каковы признаки вязкого и хрупкого разрушений?

10. При каких условиях чаще наблюдается хрупкое разрушение?

Тема 5. Строение сплавов, диаграммы состояния сплавов. Связь между свойствами сплавов и типом диаграмм состояния

Понятие о сплавах, фазовом составе. Строение типовых фаз: твердых растворов, химических соединений, механических смесей. Диаграммы фазового равновесия. Понятие о методах построения диаграмм и их применении для прогнозирования фазового состава и свойств сплавов. Виды фазовых переходов: эвтектический, эвтектоидный, перитектический, полиморфный. Основные виды диаграмм. Влияние структурного состава на свойство сплавов.

Методические указания

Изучая строение металлических сплавов, необходимо запомнить ус­ловия образования твердых растворов, механической смеси, химических соединений. Наглядное представление о состоянии любого сплава в зави­симости от его состава и температуры дают диаграммы состояния. Следует усвоить общую методику построения диаграмм состояния для различных случаев взаимодействия компонентов в твердом состоянии.

Необходимо изучить основные типы диаграмм двухкомпонентных сис­тем, понять метод их построения, уметь определять критические точки на диаграммах. Следует усвоить зависимость различных свойств сплавов от характера взаимодействия компонентов, научиться применять правило отрезков с целью определения доли каждой фазы или структурной состав­ляющей в сплаве и правило фаз для построения кривых нагрева и охлаж­дения, а также определять химический состав фаз.

С помощью закона С. Н. Курнакова нужно уметь установить связь между составом, строением и свойствами сплавов.

Литература: [4], с. 144-193; [2], с. 33-65; [1], с. 106-124; [6], с. 58-70; [7], с. 88-122; 139-140; [8], с. 106-116.

Вопросы для самоконтроля

1. Что называют твердым раствором? Назовите их виды.

2. Назовите условия полной взаимной растворимости двух компонентов.

3. Что называют эвтектикой? Опишите процесс кристаллизации эвтектики.

4. Определите число фаз, их состав и количество при различных температурах и составах сплавов между линиями ликвидус и солидус в двухкомпонентной системе с полной взаимной растворимостью в жидком и твердом состояниях.

5. Охарактеризуйте диаграммы состояния двойных сплавов.

6. Постройте диаграмму состояния свинец - сурьма по кривым охлаждения.

7. Начертите кривую охлаждения для сплава, содержащего 30 % свинца и 70 % сурьмы. Укажите, какие структурные изменения будут происходить при его охлаждении и по какой причине.

8. Какая связь между типом диаграмм состояния и свойствами сплавов?

 

Тема 6. Железо и сплавы на его основе. Диаграмма состояния железо-цементит. Структурные составляющие сталей и чугунов

Компоненты и фазы в сплавах железа с углеродом. Метастабильная диаграмма состояния железо-цементит. Диаграмма со­стояния железо - графит (стабильное равновесие). Влияние углерода и по­стоянных примесей на структуру и свойства стали. Понятие о легирующих элементах в сталях и чугунах. Фазы, образуемые легирующими элементами в сплавах железа. Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа, свойства феррита и аустенита. Структурные классы легированных сталей.

Методические указания

Основное представление о строении железоуглеродистых сплавов дают диаграммы состояния железо-цементит (метастабильное равновесие) и же­лезо — графит (стабильное равновесие). Необходимо четко усвоить крити­ческие точки и модификации железа при нагреве и охлаждении, уяснить, что железо с углеродом способно образовывать твердые растворы и хими­ческое соединение - цементит, разобраться в линиях диаграмм, указываю­щих на протекание процессов первичной и вторичной кристаллизации.

После изучения общего вида диаграмм нужно научиться определять все фазы и структурные составляющие данной системы.

Необходимо изучить влияние углерода и постоянных примесей на свой­ства сталей и чугунов, запомнить принцип классификации углеродистых сталей и чугунов, обозначение их марок по ГОСТам, а также научиться опре­делять по марке примерный химический состав стали или свойства чугуна.

Нужно также изучить механические и технологические свойства сталей и чугунов, знать методы их определения, а также требования Правил Россий­ского морского регистра судоходства к качеству судостроительных сталей и чугунов.

Литература: [3], с. 194-238; [2], с. 118-156; [1], с. 155-167; [5], с. 390-402: [6], с. 72-83; [7], с. 142-198; [8], с. 117-140.

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение основных структурных составляющих железоуглеродистых сплавов: феррита, аустенита, цементита, перлита и ледебурита.

2. Объясните влияние углерода и постоянных примесей на структуру и свойства стали.

3. По каким признакам классифицируют углеродистые стали?

4. Чем отличается серый чугун от белого?

5. Что называют ковким чугуном и как его получают?

6. Приведите классификацию чугунов по структуре металлической основы.

7. В чем сущность модифицирования чугунов?

8. Перечислите виды испытаний технологических свойств сплавов.

9. Чем отличаются стали, выплавленные конвертерным способом, в мартеновских и электрических печах?

 

Тема 7. Классификация и маркировка углеродистых, легированных сталей и чугунов, их свойства

Требования, предъявляемые к этим сталям. Маркировка, области при­менения. Цементуемые стали. Улучшаемые стали. Высокопрочные стали. Пружинно-рессорные стали. Шарикоподшипниковые стали. Износостойкие стали. Строительные стали Жаропрочные, дисперсно-упрочняемые и нержа­веющие стали. Марки, области применения. Серый и белый чугуны. Серые литейные чугуны. Высокопрочные чугуны. Ковкие чугуны. Специальные чугуны.

Методические указания

Из всех материалов, применяемых в настоящее время и прогнозируемых в будущем, только сталь позволяет получать сочетание высоких значений различных механических характеристик и хорошую технологичность при сравнительно невысокой стоимости. Поэтому сталь является основным и наиболее распространенным конструкционным материалом.

Изучая данную тему, следует обратить серьезное внимание на маркировку и область применения конструкционных сталей общего назначения, требования, предъявляемые к материалам для изготовления конструктивных элементов, деталей машин и механизмов.

Нужно усвоить способы классификации (по структуре в нормализо­ванном состоянии и по назначению). Основные принципы выбора для различ­ных областей применения цементуемых, улучшаемых, рессорно-пружинных, износостойких, строительных, высокопрочных и других сталей.

Изучая структуру и свойства чугунов необходимо обратить внимание на факторы, оказывающие влияние на структуру чугуна, роль постоянных примесей в чугуне, влияние различных модификаторов на форму графита

чугунов. Необходимо оценить влияние формы графита в чугунах на их проч­ностные и пластические характеристики.

Следует изучить маркировку чугунов и ее расшифровку, влияние тер­мической обработки на свойства чугуна.

Литература: [3], с. 213-225; [2], с. 253-312, 349-361; [1], с. 251-307; [6], с. 76-96; [7], с. 160-198, 303-434; [8], с. 184-217.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие углеродистые стали обыкновенного качества можно применять для конструкций и деталей машин, подвергаемых сварке или упрочняемых термической обработкой?

2. Какие стали являются низколегированными? Укажите область их применения и существующие методы упрочнения.

3. Каким требованиям должны отвечать стали для холодной штамповки?

4. Какие требования предъявляют к цементуемым сталям? Назовите марки стали, рекомендуемые для цементации.

5. Какие требования предъявляются к улучшенным сталям?

6. Какую сталь рекомендуют для изготовления подшипников качения?

7. Какое влияние оказывают легирующие элементы на положение кри­тических точек и фазовые превращения?

8. Какие требования предъявляют к пружинным сталям? Назовите марки пружинных сталей.

9. Назовите область применения сталей марок 12X13, 20X13, 30X13, 40X13, 08Х17Т.

10. Какие требования предъявляют к сталям, работающим при высо­ких температурах? Приведите марки жаропрочных сталей.

11. Какое влияние оказывает повышенное содержание углерода на ме­ханические свойства чугуна?

12. Расшифруйте следующие марки чугунов СЧ 30, ВЧ 60 и КЧ 30-6.

13. Почему прочность серого чугуна ниже прочности ковкого чугуна?

Тема 8. Основы теории термической обработки

Классификация видов термической обработки. Превращения в стали при нагреве, рост аустенитного зерна. Превращения переохлажденного аустенита. Превращения при нагреве закаленной стали Диаграмма изотерми­ческого распада. Продукты перлитного распада и их свойства. Мартенсит, его природа, свойства, особенности мартенситного превращения.

Методические указания

Теория и технология термической обработки стали являются главными вопросами металловедения. Термическая обработка - один из основных способов влияние на строение, а, следовательно, и на свойства сплавов.

При изучении этой темы необходимо рассмотреть изменения структуры и свойств металла при различных видах термической обработки.

Особое внимание следует уделить изучению превращений в стали при нагреве и охлаждении, росту аустенитного зерна при нагреве. Необходимо усвоить понятия "начальное", "исходное", "действительное" зерно, наслед­ственно мелкозернистая и наследственно крупнозернистая сталь.

Следует произвести анализ диаграммы изотермического распада аустенита и превращений, протекающих при непрерывном охлаждении стали с различными скоростями с образованием структур перлита, сорбита, троостита, бейнита и мартенсита.

Литература:[3], с. 239-262; [2], с. 156-190; [1], с. 169-190; [6], с. 97-109; [7], с. 199-255; [8], с. 141-155.

Вопросы для самоконтроля

1. В чем сущность термической обработки? Назовите виды термической обработки стали.

2. Охарактеризуйте превращения в стали при нагреве.

3. Чем характерно изотермическое превращение аустенита?

4. В чем сущность и особенности мартенситного превращения?

5. Какое количество остаточного аустенита в стали, содержащей 0,3 % С и содержащей 1,0 % С? Как освободиться от остаточного аустенита?

6. Чем объясняется высокая твердость мартенсита? Какие причины вызывают необратимую и обратимую отпускную хрупкость?

---

Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 298; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!