Шпоры по материаловедению
СОДЕРЖАНИЕ: ВОПРОС 1. Цели и задачи дисциплины. Схема маш. Процесса. Цель дисциплины – методы изучения св-в мат-ов, сравнение мат., выбор для различных конструкций.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.
2) Аустенит – ТВ. Раствор внедрения углерода в железе гамма, с огр раствор 2,14 при 1147гр., 0,8 при 727гр, НВ=160-180.
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 в 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 в 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 Ас 3 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 А r 3 – А r 1 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. ЧемС, 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.
5) Барирование – насыщение бором. Даёт бариды – это очень ТВ. И износостойкие в-ва, поэтому барируются металлические коеструкции.
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 хорошообрабатываются 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.