МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
по изучению предмета «Конструкционные и электротехнические материалы».
По модулю 1.
РАЗДЕЛ I. ОСНОВЫ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ
1. 1. Строение и свойства металлов, сплавов
Металловедение - это наука, которая является основой для экономически эффективного выбора материала и способов его обработки.
Все свойства материала зависят от его внутреннего строения. Выбор материала для деталей машин, приборов, аппаратов зависит от его свойств и условий работы детали. Правильно выбранные материалы и способы обработки деталей обеспечивают надежность и долговечность работы машин и приборов, уменьшают их себестоимость.
Основная задача развития производства металлов - улучшить структуру и качество конструкционных материалов; ускоренно развивать производство экономичных видов металлопродукции, синтетических и других прогрессивных материалов; расширить номенклатуру, улучшить технико-экономические и повысить прочностные и антикоррозийные характеристики конструкционных материалов.
Изучение этого раздела нужно начать с атомно-кристаллического строения металлов. Следует рассмотреть наиболее часто встречающиеся типы кристаллических решеток металлов. Надо помнить, что металлы при определенных температурах в процессе охлаждения или нагрева перестраивают кристаллическую решетку.
Это свойство называется аллотропией или полиморфизмом.
В качестве металлических машиностроительных материалов применяют главным образом сплавы, а не чистые металлы, так как сплавы обладают более ценным комплексом механических, технологических и других свойств. Свойства сплавов определяются структурой, зависящей от взаимодействия элементов (компонентов), входящих в сплав в процессе кристаллизации. В этой связи необходимо уяснить разновидности структур (твердый раствор, химическое соединение, механическая смесь), условия их образования и характерные свойства. Особое внимание следует обратить на растворимость компонентов в твердом состоянии.
Кривые охлаждения металлов и сплавов являются графическим описанием процесса кристаллизации, т. е. процесса перехода из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация), или процессов изменения структуры в твердом состоянии (вторичная кристаллизация). Температуры, при которых происходят эти изменения, называются критическими точками и определяются термическим анализом.
При изучении кривых охлаждения металлов и сплавов следует определить условия их кристаллизации. При этом обратите внимание на обязательное переохлаждение, которое определяется степенью переохлаждения и существенно влияет на процесс кристаллизации. Регулирование процесса кристаллизации способствует получению заданных механических свойств металлов и сплавов.
Литература: [4], с. 4-29.
1. 2. Сплавы железа с углеродом
Черные металлы являются самыми распространенными в народном хозяйстве материалами. Производство черных металлов должно развиваться путем ускорения технического перевооружения производства; расширения работ по промышленному освоению технологии прямого получения железа и принципиально новых металлических материалов; улучшения структуры металлопродукции.
Изучая материал этой темы, обратите внимание на то, что основой теории о железоуглеродистых сплавах (сталях и чугунах) является диаграмма состояния железо-углерод, дающая представление о структуре и свойствах железоуглеродистых сплавов при разных температурах, что необходимо для выбора технологических режимов горячей обработки изготовления отливок, сварки и термической обработки.
Согласно диаграмме состояния стали, в зависимости от содержания углерода, делятся на: доэвтектоидные, содержащие до 0,8% углерода; эвтектоидные, содержащие 0,8% углерода; заэвтектоидные, содержащие от 0,8% до 2% углерода.
Исходя из структурной классификации по-назначению все стали, делятся на конструкционные (с доэвтектоидной структурой) и инструментальные (с эвтектоидной и заэвтектоидной структурой).
Основными требованиями, предъявляемыми к конструкционным материалам, являются: прочность, надежность, долговечность. Эти свойства стали получают после соответствующей обработки, в основном определяемой содержанием углерода.
В качестве инструментальных применяют стали, имеющие, главным образом, высокую твердость и износостойкость. Но в зависимости от назначения инструмента к сталям предъявляются такие требования, как красностойкость, прочность, вязкость и др. Следует обратить внимание на то, что требования к инструментальным сталям удовлетворяют за счет высокого или повышенного содержания углерода, легирующих элементов, термообработки.
Необходимо ознакомиться с легированными сталями, их назначением и применением, усвоить маркировку легированных сталей.
Учащиеся должны изучить легированные стали с особыми свойствами: нержавеющими, кислотостойкими, жаропрочными.
Чугуны - железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2%. По состоянию углерода различают белый чугун (углерод в связанном состоянии, используется для передела в сталь) и серый чугун (с графитом), который широко применяется как конструкционный материал.
Так как сплавы чугуна с графитом обладают высокими литейными свойствами, и изделия из них получают только литьем, их называют литейными чугунами. Наличие графита обеспечивает чугунам ряд свойств, выгодно отличающих их от стали: способность гасить вибрации, малая чувствительность к надрывам, высокая износостойкость. Эти свойства, наряду с высокими литейными качествами, определяют основные области применения данного материала.
Технология производства черных металлов определяется двумя, переделами - производство чугуна из обогащенных руд с добавлением кокса и флюсов в доменной печи восстановительным процессом и передел белого чугуна в сталь окислительным процессом в конвертерной, мартеновской или электропечах.
Изделия из металлических порошков приобретают все более широкое применение в различных отраслях промышленности из-за высокой экономичности их производства, особенно при массовом производстве. Применение способа порошковой металлургии для изготовления мелких деталей из материалов на основе железа, меди, никеля и других позволяет в среднем сократить расход металла в 2-5 раз, трудоемкость в 1,5-2 раза, себестоимость в 1,5-2 раза по сравнению со способом изготовления изделий механической обработкой заготовок.
Изучение медных сплавов следует начинать с латуни, рассмотрев влияние цинка, а затем и других различных примесей на свойства латуней. Надо знать, что латуни термической обработкой практически не упрочняют. Наклепанные латуни склонны к растрескиванию при пониженных температурах. Детали из латуни, работающие при низких температурах, подвергают низкотемпературному отжигу при 200-250°С.
Изучение бронз следует начать с оловянной бронзы. Прежде всего, необходимо уяснить влияние на структуру и свойства бронзы олова и дополнительных элементов, вводимых в нее. В зависимости от содержания олова и других элементов оловянные бронзы имеют различные свойства и применение.
Затем следует рассмотреть свойства и применение бронз, не содержащих олова. Особое внимание надо обратить на бериллиевую бронзу, обладающую редким сочетанием свойств: высокая прочность и твердость (они приближаются к твердости и прочности закаленных конструкционных сталей) при хорошей сопротивляемости коррозии.
Нужно обязательно знать маркировку латуней и бронз.
Алюминиевые сплавы делят на две большие группы: деформируемые и литейные. При изучении деформируемых сплавов главное внимание надо обратить на сплавы алюминия с медью, упрочняемые термической обработкой, которые называют дуралюминами.
Литература: [4], с. 29-91.
1. 3. Основы термической и химико-термической обработки металлов
Современная техника предъявляет все возрастающие требования к механическим свойствам металлов, которые в значительной степени можно улучшить путем термической и химико-термической обработки. Увеличение прочности деталей во многих случаях разрешает уменьшить их габариты и массу, что дает огромную экономию металла.
Любая термическая обработка состоит из нагрева до заданной температуры, выдержки и охлаждения с заданной скоростью, поэтому термическую обработку обычно выражают графически в координатах температура - время.
В зависимости от температуры нагрева и скорости охлаждения различают следующие основные вида термической обработки: отжиг, нормализацию, закалку и отпуск. Нужно знать цель проведения термической обработки, а главное, какую структуру и свойства приобретает сталь после обработки. Следует иметь в виду, что иногда брак, полученный при термической обработке, может проявиться только при работе деталей.
При изучении процесса отжига надо рассмотреть целесообразность применения каждого метода отжига, знать, каким сталям дают полный отжиг, а каким - неполный. Легированные стали и крупные поковки требуют очень медленного охлаждения, поэтому применение для них изотермического отжига дает возможность значительно увеличить производительность труда.
Отжиг на зернистый перлит (сфероидизацию) целесообразно применять для инструментальных и шарикоподшипниковых сталей, так как зернистые структуры имеют повышенную пластичность, и детали при последующей закалке менее склонны к короблению, меньше опасность появления трещин. Цель отжига - получение максимальной вязкости и пластичности. А так как у разных сталей время устойчивости аустенита разное, то и скорость охлаждения при отжиге для разных сталей разная. Она зависит от устойчивости аустенита в области перлитного превращения. Следует изучить явления перегрева и пережога, разницу между ними, меры предупреждения и способы устранения этих видов брака.