Материаловедение (решение заданий)

Задача 3. Начертите диаграмму состояния железо-углерод, укажите параметры основных точек, структуру сплава в каждой области. Кратко опишите, что собой представляет феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит. Опишите, какие процессы произойдут со сплавом с заданным процентом содержания (0,5 %С ) углерода при медленном охлаждении его от 1000 0С до 20 0С. Какие структуры имеет сплав в точках 1300 и 600? Объясните, какое практическое значение имеет диаграмма состояние железо – углерод.
Задача 48. Объясните, что такое коррозия металлов. Перечислите виды коррозии и кратко опишите химическую и электрохимическую коррозию. Расшифруйте марки сплавов: 5ХНМ; Р6М3; М75; У8А.
Задача 65. Перечислите виды термической и химико-термической обработки сталей. Дайте определение структурам, получаемым при ...

Задача 3. Начертите диаграмму состояния железо-углерод, укажите параметры основных точек, структуру сплава в каждой области. Кратко опишите, что собой представляет феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит. Опишите, какие процессы произойдут со сплавом с заданным процентом содержания (0,5 %С ) углерода при медленном охлаждении его от 1000 0С до 20 0С. Какие структуры имеет сплав в точках 1300 и 600? Объясните, какое практическое значение имеет диаграмма состояние железо – углерод.
Задача 48. Объясните, что такое коррозия металлов. Перечислите виды коррозии и кратко опишите химическую и электрохимическую коррозию. Расшифруйте марки сплавов: 5ХНМ; Р6М3; М75; У8А.
Задача 65. Перечислите виды термической и химико-термической обработки сталей. Дайте определение структурам, получаемым прираспаде аустенита (пластинчатый перлит, сорбит, троостит, бейнит, мартенсит). Опишите отжиг второго рода углеродистой стали 0,7 % (до какой температуры необходимо производить нагрев, как и в какой среде производить охлаждение, какая структура будет после обработки).
Задача 86. Объясните, в чем заключается сущность контактной сварки, перечислите виды контактной сварки и вычертите схему каждого вида. Приведите примеры применения контактной сварки на железнодорожном транспорте.
Задача 125 . Дайте определение понятиям: шероховатость, допуск, квалитет, посадка. Опишите сущность посадок в системе отверстия и в системе вал, как обозначают поля допусков, какие поля обеспечивают посадки с зазором, с натягом и переходные. По рис. определите обозначение шероховатости на двух чертежах. Опишите смысл обозначений.
Список литератур

Задача 3. Начертите диаграмму состояния железо-углерод, укажите параметры основных точек, структуру сплава в каждой области. Кратко опишите, что собой представляет феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит. Опишите, какие процессы произойдут со сплавом с заданным процентом содержания (0,5 %С ) углерода при медленном охлаждении его от 1000 0С до 20 0С. Какие структуры имеет сплав в точках 1300 и 600? Объясните, какое практическое значение имеет диаграмма состояние железо – углерод.
Задача 48. Объясните, что такое коррозия металлов. Перечислите виды коррозии и кратко опишите химическую и электрохимическую коррозию. Расшифруйте марки сплавов: 5ХНМ; Р6М3; М75; У8А.
Задача 65. Перечислите виды термической и химико-термической обработки сталей. Дайте определение структурам, получаемым при распаде аустенита (пластинчатый перлит, сорбит, троостит, бейнит, мартенсит). Опишите отжиг второго рода углеродистой стали 0,7 % (до какой температуры необходимо производить нагрев, как и в какой среде производить охлаждение, какая структура будет после обработки).
Задача 86. Объясните, в чем заключается сущность контактной сварки, перечислите виды контактной сварки и вычертите схему каждого вида. Приведите примеры применения контактной сварки на железнодорожном транспорте.
Задача 125 . Дайте определение понятиям: шероховатость, допуск, квалитет, посадка. Опишите сущность посадок в системе отверстия и в системе вал, как обозначают поля допусков, какие поля обеспечивают посадки с зазором, с натягом и переходные. По рис. определите обозначение шероховатости на двух чертежах. Опишите смысл обозначений.
Список литератур

Дополнительная теплостойкость стали обеспечивается легированием вольфрамом, молибденом, хромом, ванадием, иногда кобальтом. Важное свойства сталей 5ХНМ – устойчивость стали к образованию поверхностных трещин при многократных теплосменах (разгаростойкость).Р6М3 - Сталь инструментальная быстрорежущая. Применение: для изготовления чистовых и получистовых инструментов небольших размеров при обработке конструкционных сталейХимический состав в % материала Р6М3CSiMnNiSPCrMoWV0.85 - 0.95до   0.5до   0.4до   0.4до   0.03до   0.033 - 3.63 - 3.65.5 - 6.52 - 2.5М75 - Сталь для рельсового транспортаХимический состав в % материала   CSiMnSPTiAl0.71 - 0.820.25 - 0.60.75 - 1.15до   0.04до   0.035до   0.007до   0.02У8А - Сталь инструментальная углеродистая. Применение: для инструмента, работающего в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки: фрез, зенковок, топоров, стамесок, долот, пил продольных и дисковых, накатных роликов, кернеров, отверток, комбинированных плоскогубцев, боковых кусачек.Химический состав в % материалаCSiMnNiSPCrCu0.75 - 0.840.17 - 0.330.17 - 0.28до 0.25до 0.018до 0.025до 0.2до 0.25Задача 65. Перечислите виды термической и химико-термической обработки сталей. Дайте определение структурам, получаемым при распаде аустенита (пластинчатый перлит, сорбит, троостит, бейнит, мартенсит). Опишите отжиг второго рода углеродистой стали 0,7 % (до какой температуры необходимо производить нагрев, как и в какой среде производить охлаждение, какая структура будет после обработки).Термической обработкой называют процессы, связанные с нагревом и охлаждением, вызывающие изменения внутреннего строения сплава, и в связи с этим изменения физических, механических и других свойств. Термической обработке подвергают полуфабрикаты (заготовки, поковки, штамповки и т. п.) для улучшения структуры, снижения твердости, улучшения обрабатываемости, и окончательно изготовленные детали и инструмент для придания им требуемых свойств. В результате термической обработки свойства сплавов могут меняться в широких пределах. Например, можно получить любую твердость стали от 150 до 250 НВ (исходное состояние) до 600—650 НВ (после закалки). Возможность значительного повышения механических свойств с помощью термической обработки по сравнению с исходным состоянием позволяет увеличить допускаемые напряжения, а также уменьшить размеры и вес детали. Перлит, сорбит, троостит являются структурами одной природы — механической смесью феррита и цементита и отличаются друг от друга лишь степенью дисперсности. С увеличением степени дисперсности пластин цементита растут твердость и прочность стали. Наибольшую пластичность имеют стали с сорбитной структурой. Троостит, образующийся при более низкой температуре превращения, характеризуется меньшей пластичностью (меньшими d и y ). Перлит, сорбит и троостит называют перлитными структурами.Перлитные структуры в зависимости от формы цементита могут быть пластинчатыми или зернистыми. Пластинчатые структуры образуются при превращении однородного (гомогенного) аустенита, а зернистые — неоднородного аустенита. В первом случае нагрев доэвтектоидных сталей должен производиться выше АС3, а заэвтектоидных — выше Аcm. Соответственно для получения зернистых структур нагрев должен производиться ниже АС3 (Аcm).Таким образом, дисперсность перлитных структур определяется степенью переохлаждения, а форма цементита — гомогенностью исходного аустенита.Ниже температуры минимальной устойчивости распад аустенита протекает в упругой среде, и выделение феррита и цементита сопровождается возникновением значительных напряжений. В таких условиях новой фазе легче расти игольчатой или пластинчатой форм очень малых размеров из-за малой скорости диффузии.Структура эта называется бейнитом или промежуточной структурой и в рассматриваемой стали может получится только при изотермической выдержке. Различают верхний и нижний бейнит. Верхний бейнит образуется при температурах чуть ниже перегиба кривых и имеет твердость около 450НВ, нижний образуется чуть выше начала образования мартенсита (Мн) и имеет твердость около 550НВ. Если скорость охлаждения достаточно велика и проходит левее максимума, то образуется структура закалки (М+Аост.).Скорость охлаждения касательная к максимуму называется верхней критической скоростью закалки(Yвкз).Мартенсит при нагреве распадается на феррито-цементитную смесь. Это превращение протекает в несколько этапов и зависит от температуры нагрева.При температурах 150-2000 уменьшается степень искаженности решетки мартенсита (тетрогональность решетки) за счет уменьшения в ней углерода, который начинает выделяться в виде карбида близкого по составу к Fe2C. Этот карбид еще недостаточно обособлен, и его решетка тесно связана с решеткой мартенсита. Такая структура называется мартенситом отпуска.При 200-3000 мартенсит еще более теряет свою тетрогональность, карбиды более обосабливаются. Остаточный аустенит (в высокоуглеродистых сталях) также начинает распадаться на феррит и карбиды. Такую структуру называют бейнитом отпуска (в отличие от бейнита получаемого в изотермических условиях).При 300-4000 выделяются очень дисперсные карбиды Fe3C и существенно снижаются внутренние напряжения. Такая структура называется тростит отпуска.При температурах выше 4000 происходит постепенное укрупнение цементита и феррита, однако, размеры их остаются все равно значительно меньше, чем при медленном охлаждении стали. Такая структура обладает хорошим сочетанием твердости, прочности и вязкости, и называется сорбитом отпуска.Основоположником теории термической обработки является выдающийся русский ученый Д. К. Чернов, который в середине XIX в., наблюдая изменение цвета каления стали при ее нагреве и охлаждении и регистрируя температуру «на глаз», обнаружил критические точки (точки Чернова). Основными видами термической обработки стали являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Отжиг. Отжигом называют операцию нагрева, выдержки при заданной температуре и охлаждения заготовок. Академик А. А. Бочвар дал определение двух родов отжига: отжиг первого рода — приведение структуры из неравновесного состояния в более равновесное (возврат или отдых, рекристаллизационный отжиг, или рекристаллизация, отжиг для снятия внутренних напряжений и диффузионный отжиг или гомогенизация); отжиг второго рода — изменение структуры сплава посредством перекристаллизации около критических точек с целью получения равновесных структур; к отжигу второго рода относятся полный, неполный и изотермический отжиги. Рассмотрим виды отжига применительно к стали.Возврат стали — нагрев до температуры 200—400 °С для уменьшения или снятия наклепа. При возврате наблюдается уменьшение искажений в кристаллических решетках у кристаллов и частичное восстановление физико-химических свойств.Рекристаллизационный отжиг (рекристаллизация) стали происходит при температуре 500—550 °С; отжиг для снятия внутренних напряжений — при температуре 600—700 °С. Эти виды отжига применяют для заготовок, обработанных давлением (прокаткой, волочением, ковкой, штамповкой). При рекристаллизационном отжиге деформированные вытянутые зерна становятся равноосными, в результате твердость снижается, а пластичность и ударная вязкость повышаются. Для полного снятия внутренних напряжений в стали нужна температура не менее 600 °С.Охлаждение после выдержки при заданной температуре должно быть достаточно медленным; при ускоренном охлаждении вновь возникают внутренние напряжения.Диффузионный отжиг применяют в тех случаях, когда в стальных заготовках имеется внутрикристаллическая ликвация. Выравнивание состава в зернах аустенита достигается диффузией углерода и других компонентов наряду с самодиффузией железа. В результате сталь становится однородной по составу (гомогенной), поэтому диффузионный отжиг называется также гомогенизацией.Температура гомогенизации должна быть достаточно высокой (1100 -1200 °С), однако нельзя допускать пережога и оплавления зёрен. При пережоге кислород воздуха окисляет железо, проникает в толщу его, в результате образуются кристаллиты, разобщенные оксидными оболочками. Пережжённые заготовки являются неисправимым браком.При полном отжиге понижаются твердость и прочность стали; этот отжиг связан с фазовой перекристаллизацией при температурах точек Ас1 и Ac3. В результате полного отжига структура стали становится близкой к равновесной, что способствует лучшей обрабатываемости резанием и штамповкой. Полный отжиг используют также как окончательную операцию термической обработки заготовок. Для полного отжига сталь нагревают на 30—50° выше температуры линии GSK и медленно охлаждают. Операция выполняется с охлаждением заготовок в печи при частичном подогреве, чтобы скорость охлаждения былa в пределах 10—100 °С/ч для легированной стали и 150—200 оС/ч для углеродистой стали.Отжиг второго рода - это термообработка, которая заключается в нагреве стали до температур выше точек Ас3 или Ас1 , выдержке и последующем охлаждении. В результате получаем почти равновесное структурное состояние стали; в доэвтектоидных сталях - феррит + перлит, в эвтектоидных - перлит и в заэвтектоидных - перлит + вторичный цементит.После отжига получаем: мелкое зерно, частично или полностью устраненные строчечность, вид манштеттову структуру и другие неблагоприятные структуры. Сталь получается с низкой прочностью и твердостью при достаточном уровне пластичности. В промышленности отжиг II рода часто используется в качестве подготовительной и окончательной обработки. Разновидности отжига II рода различаются способами охлаждения и степенью переохлаждения аустенита, а так же положением температур нагрева относительно критических точек.Температура нагрева и время выдержки обеспечивают нужные структурные превращения. Скорость охлаждения должна быть такой, чтобы успели произойти обратные диффузионные фазовые превращения.Является подготовительной операцией, которой подвергают отливки, поковки, прокат. Отжиг снижает твердость и прочность, улучшает обрабатываемость резанием средне- и высокоуглеродистых сталей. Измельчая зерно, снижая внутренние напряжения и уменьшая структурную неоднородность способствует повышению пластичности и вязкости.Рисунок 2 – Отжиг 2-ого рода углеродистой стали 0,7 %.Отжиг в промышленности в большинстве случаев является подготовительной термической обработкой. Отжигу подвергают отливки, поковки, прокат. Понижая прочность и твердость, отжиг улучшает обработку резанием средне- и высокоуглеродистой стали. Измельчая зерно, снимая внутренние напряжения и уменьшая структурную неоднородность, он способствует повышению пластичности и вязкости по сравнению с соответствующими характеристиками, полученными после литья, ковки и прокатки. Отжиг в некоторых случаях, например, для многих крупных отливок, является окончательной термической обработкой, так как после него в изделиях практически отсутствуют остаточные напряжения и их деформация оказывается минимальной.Задача 86. Объясните, в чем заключается сущность контактной сварки, перечислите виды контактной сварки и вычертите схему каждого вида. Приведите примеры применения контактной сварки на железнодорожном транспорте.В настоящее время контактная сварка — один из ведущих—способов неразъемного соединения деталей в различных отраслях техники. Она отличается очень высокой степенью механизации, роботизации, автоматизации и, как следствие, высокой производительностью. Благодаря совершенствованию технологического процесса и модернизации оборудования области ее использования непрерывно расширяются. Контактная сварка — это процесс образования неразъемных соединений конструкционных металлов в результате их кратковременного нагрева электрическим током и пластического деформирования усилием сжатия.Соединение свариваемых деталей при контактной уварке (как и при других способах сварки) происходит путем образования связей между атомными агрегатами в зоне контакта этих деталей. При этом для образования физического контакта и активации соединяемых поверхностей затрачивается тепловая и механическая энергия, подводимая извне.Образование сварных соединений происходит в условиях быстро меняющихся электрических и температурных полей при высоких скоростях нагрева и пластических деформациях.Область применения контактной сварки чрезвычайно широка — от крупногабаритных строительных конструкций, космических аппаратов до миниатюрных полупроводниковых устройств и пленочных микросхем. По имеющимся данным, в настоящее время около 30 % всех сварных соединений выполняют различными способами контактной сварки. Среди механизированных и автоматизированных способов сварки контактная сварка занимает первое место.Контактной сваркой можно успешно соединять практически все известные конструкционные материалы — низкоуглеродистые и легированные стали, жаропрочные и коррозионно-стойкие сплавы, сплавы на основе алюминия, магния и титана и др.Для сварки углеродистых и низколегированных сталей применяются мягкие режимы (большое время выдержки t = 0,2…3 с и небольшая плотность тока J = 80…160А / мм2), а для сварки низкоуглеродистых и высоколегированных сталей, не склонных к закалке, – жесткие режимы (t = 0,001…0,1 с, J = 150…350 А / мм2).Стыковая контактная сварка заключается в том, что соединение свариваемых деталей происходит по всей поверхности стыкуемых торцов. При этом сварка может быть выполнена сопротивлением и оплавлением непрерывным или прерывистым (рис. 3).Рис. 3. Схема стыковой контактной сварки:1 — свариваемые детали; 2 — электроды; 3 — неподвижная контактная пластина; 4— подвижная контактная пластинаСварка сопротивлением. При этом виде сварки обработанные поверхности двух деталей для сварки плотно прижимают и включают сварочный ток. При нагреве стыкуемых поверхностей до пластического состояния производят осадку (сжатие) и одновременно выключают ток. Таким способом можно сваривать детали из низкоуглеродистой стали круглого или прямоугольного сечения площадью до 1000 мм2 и легированной стали площадью до 20 мм2. Также этим способом можно сваривать цветные металлы и их сплавы, разнородные металлы — сталь с медью, латунь с медью и различные сорта сталей.Сварка сопротивлением не получила широкого применения, так как требуется высокая чистота свариваемых поверхностей и строгий контроль температуры нагрева.Сварка непрерывным оплавлением. При этом способе сварки детали, закрепленные в зажимах на машине, приводят в соприкосновение плавным перемещением подвижного зажима при включенном сварочном токе, и происходит оплавление свариваемых торцов деталей. После этого производят осадку на определенную величину и отключают ток.Достоинством этого способа сварки является высокая производительность, недостатком — потери металла на угар и разбрызгивание.Сварка таким способом применяется при соединении тонкостенных труб, листов, рельсов, разнородных металлов.Сварка прерывистым оплавлением. При этом способе сварки производится чередование плотного и неплотного контакта свариваемых поверхностей при включенном сварочном токе. Происходят небольшие возвратно-поступательные движения подвижного зажима, которые периодически замыкают сварочную цепь в месте контакта деталей до тех пор, пока торцы их не нагреются до температуры 800...900 °С. После этого — оплавление и осадка. Прерывистым оплавлением сваривают низкоуглеродистые стали при недостаточной мощности машины для сварки непрерывным оплавлением.Подготовка к сварке. Она зависит от принятого способа сварки.Сварка сопротивлением требует высокой точности обработки свариваемых поверхностей и их плотности прилегания. При перекосах и зазорах в соединениях происходит неравномерный прогрев деталей, образование окислов и снижение качества сварного соединения. Допустимые отклонения размеров стыкуемых поверхностей вдоль оси: круглого сечения — не более 2%, прямоугольного сечения — не более 1,5%. При этом свариваемые торцы деталей подвергают механической или химической очистке.Поверхности соприкосновения деталей с зажимным устройством машины должны быть также хорошо очищены.Установочная длина — длина конца свариваемой детали, выступающая из зажима машины. Она влияет на сварочный процесс, так как при большей установочной длине выше сопротивление контура с деталями и больше потребляемая мощность. При этом детали разогреваются на большей длине, осадка и сварка получаются некачественными.При малой установочной длине значительная часть теплоты теряется через зажимы машины, и детали разогреваются неравномерно и недостаточно.Установочная длина должна составлять 0,4...0,7 диаметра заготовки или стороны квадрата.Припуск на сварку расходуется только на осадку и берется небольшим. Для деталей диаметром или со стороной квадрата до 50 мм он составляет 0,3...0,5 диаметра, для деталей диаметром до 100 мм — 0,15...0,2 диаметра.На рис. 4 приведена схема точечной контактной сварки. Свариваемые детали накладывают друг на друга и зажимают между электродами, присоединенными к сварочному трансформатору. При замыкании сварочной цепи происходит нагрев металла, при этом наибольшее количество теплоты выделяется на участке зажима свариваемых деталей, и металл расплавляется. После выключения тока и осадки на участке жидкого металла образуется сварная точка.Рис. 4.