Тема 2. Основы теории сплавов.

Министерство общего и профессионального образования РФ

Камский государственный политехнический институт

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Программа, методические указания и контрольные задания для студентов-заочников технических специальностей.

Г. Набережные Челны, 2002г.

УДИ 669. 017. (075.8.).

Материаловедение. Программа, методические указания и контрольные задания для студентов – заочников технических специальностей. Составитель: В.И. Астащенко, Наб. Челны, КамГПИ, 2002г.

 

Методические указания по курсу «Материаловедение» составлены в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по подготовке специалистов машиностроительного профиля, утверждённого государственным комитетом РФ по высшему образованию. Представлены основные разделы дисциплины для самостоятельного изучения студентами заочной формы обучения. Составлены и приведены варианты заданий для выполнения контрольной работы. В приложении представлены диаграммы двойных сплавов и диаграмма «Железо-карбид железа». После каждой темы программы приведены методические указания.

 

Работа выполнена на кафедре «Машины и технология литейного производства».

ИЛ.: 19

Рецензент: Главный специалист по термической обработке ОАО КамАЗ В.Г. Козлов.

 

Печатается в соответствии с решением научно-методического совета факультета автоматизации и прогрессивных технологий Камского государственного политехнического института

от_____ _______ 2002г.

 

Камский государственный

политехнический институт

2002г.

ВВЕДЕНИЕ

Материаловедение – наука, изучающая строение и свойства материалов в зависимости от их состава и условий обработки.

Курс материаловедение включает в себя два направления, а именно раздел по металловедению и термической обработке металлов и сплавов и раздел по неметаллическим материалам. Раздел металловедения изучает связь между состоянием, строением и свойствами металлов и сплавов и закономерности их изменения при воздействии различных факторов (тепловых, химических, механических, электромагнитных и т.д.). Раздел по неметаллическим материалам в основном посвящён изучению пластмасс.

При конструировании и изготовлении машин и приборов, организации их эксплуатации и ремонта инженер постоянно сталкивается с машиностроительными материалами и их использованием.

Для выпуска высококачественной продукции особое значение приобретают изучение свойств промышленных металлических материалов, разработка и внедрение в промышленность новых высокопрочных и технологичных сплавов, применение новейших методов их контроля и исследования.

Изучение курса «Материаловедение» должно дать будущим специалистам:

1. Знание об основных закономерностях, определяющих строение, состав и свойства материалов;
2. Представление об основных методах испытания материалов и принципом работы с приборами и машинами;
3. Умение самостоятельного пользования технической и справочной литературой и дать достаточные знания для выбора основных промышленных, а также новых перспективных материалов и эффективных методов их обработки для обеспечения надёжности и долговечности, изготавливаемых из них изделий;
4. Знание о перспективах развития и методах упрочнения рабочих поверхностей деталей.

Теоретической основой данного курса является соответствующие разделы дисциплины «Химия» (используются знания законов протекания химических реакций окисления и восстановления металлов, понятие о константах равновесия и т.д.), «Физика» (используются знания законов об агрегатном состоянии веществ и фазовых превращениях), «Технология конструкционных материалов» (используются знания атомно-кристаллического строения металлов и сплавов, кристаллизация, методы определения механических свойств материалов, понятие деформации и разрушения металла, маркировка черных и цветных металлов и сплавов и т.д.)

Вместе с другими дисциплинами студенты получают необходимую общеинженерную и технологическую подготовку необходимую как на производстве, так и при работе в научно-исследовательских и проектных институтах.

В таблице 1 приведены учебные планы для различных технических специальностей с указанием времени изучения дисциплины и выполнения контрольной работы, распределения общего объёма часов по видам занятий и формы итогового контроля с учётом базового образования студентов.

 

Учебный план технических специальностей

по дисциплине «Материаловедение».

 

Таблица 1.

№	Специальность	Базовое образо-вание.	Распределение по семестрам	Объём в часах	примечание
экз	зач	контр	всего	лек	лаб	пр.	сам
		с/о		-					-
		с/с		-					-
		с/с		-					-
		с/с	-						-
		с/с		-	-

 

 

Примечание: с/о – среднее образование

с/с – среднее – специальное образование.

 

Согласно, учебного плана (см. табл.1) студент выполняет одну контрольную работу, состоящую из пяти заданий. Вариант контрольной работы должен строго соответствовать учебному шифру студента (см. группа №1-стр.34; группа №2-стр.52).

Выполненную контрольную работу студент обязан выслать в институт или представить на кафедру за месяц до начала установочно-экзаменационной сессии. Экзамен принимается после зачтения контрольной работы. На странице 70 приводится перечень рекомендуемой литературы. В основной литературе освещены все вопросы программы. Использование дополнительной литературы позволит более глубокому изучению отдельных вопросов. В каждом разделе приводится программа, методические указания и литература с указанием конкретных страниц.

Программа и методические указания к темам дисциплины.

Тема 1. Классификация материалов.

Структурная схема основных материалов применяемых в машиностроении. Основные свойства характеризующие металлы. Новые материалы для изделий машиностроительной промышленности.

Методические указания.

Материалы, используемые в народном хозяйстве можно условно разделить на две группы: металлы и металлические сплавы и неметаллы. Первую группу составляют чёрные и цветные металлы и сплавы. Железо и сплавы на его основе (чугун, сталь, ферросплавы) называют чёрными. На основе железа изготавливают около 95% всех конструкционных и инструментальных материалов. Это связано с большим содержанием его в земной коре, низкой стоимостью и высокими технологическими и механическими свойствами. Остальные металлы (медь, никель, алюминий, золото, серебро и т.д.) и сплавы на их основе относят к цветным. Это металлы со специальными свойствами: малая плотность, химическая инертность, низкая или высокая температура плавления и т.д.

Металлы и металлические сплавы – тела кристаллические, атомы расположены в металлах в строго определённом порядке. Они обладают рядом характерных свойств: высокая термопроводимость и электрическая проводимость; положительный коэффициент электрического сопротивления; хорошая отражательная способность; высокая способность к пластической деформации.

В современной технике широко применяют стали, которые обеспечивают высокую конструктивную прочность, а также сплавы, которые остаются прочными при высоких температурах, вязкими при температурах близких к абсолютному нулю, обладающие высокой коррозийной стойкостью в агрессивных средах или другими физико-химическими свойствами. Число новых сплавов постоянно растёт – это так называемые композиционные материалы, сплавы с памятью формы, обладающие эффектом сверх - пластичности и т.д.

Основу группы неметаллов составляют пластмасса, каучук, резина, стекло, керамика и т.д. Такие материалы при достаточной прочности обладают хорошей химической стойкостью, диэлектрическими свойствами и малой плотностью. Они технологичны и эффективны при использовании в различных отраслях машиностроения.

Литература: [1, 3-36; 3, 9-32]

 

 

Вопросы для самопроверки.

1. Каковы характерные свойства металлических материалов и неметаллов?

2. Что такое сталь, чугун, латунь, бронза, силумины и дюралюмины?

3. Какие материалы обладают свойствами анизотропии и изотропии?

4. Охарактеризуйте основные параметры кристаллической решётки и их связь со свойствами материалов?

5. Укажите причину изменения свойств материала под действием давления и температуры? Что такое полиморфные превращения?

Тема 2. Основы теории сплавов.

Изучите строение материалов и сплавов в твёрдом состоянии. Необходимо чётко представлять, что такое твёрдый раствор, химическое соединение и механическая смесь. Изучите принцип построения диаграммы состояния сплавов. Типы диаграмм состояния. Научитесь пользоваться правилом фаз и отрезков и устанавливать фазовый состав сплава. Отчётливо представляйте связь между составом сплава и его свойствами с помощью правила Курнакова.

Методические указания.

Сплав это вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. (компонентов). Строение сплава зависит от типа взаимодействия компонентов образующих сплав. В металлических сплавах возможно получение механической смеси, химических соединений и твёрдых растворов.

Составляющие сплав вещества могут вступать в химическое взаимодействие, образуя химические соединения по правилу валентности, или взаимно растворяться друг в друге, образуя растворы внедрения или замещения. Строением сплава может быть механическая смесь, если в твёрдом состоянии отсутствует механическое взаимодействие. Диафрагмы состояния сплава строят экспериментальным путём, которые представляются в графической форме и показывают изменение состава в зависимости от содержания компонентов и температуры. Диаграммы состояния позволяют определить, какую структуру будут иметь медленно охлаждённые сплавы, а также решить вопрос о том, можно ли добиться изменения микроструктуры в результате теплового воздействия (термической обработки сплава).

Вид диаграммы определяется характером взаимодействия, которые возникают между компонентами в жидком и твёрдом состояниях.

Типичными диаграммами состояния металлических сплавов являются диаграммы:

а) с неограниченной растворимостью компонентов друг в друге;

б) с ограниченной растворимостью компонентов;

в) с образованием химических соединений;

г) с полиморфным превращением.

Концентрация компонентов и количество фаз у сплава определяется правилом отрезков. Это правило применимо только для двухфазных областей в двойных диаграммах состояния сплавов.

Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз, отвечающих теоретическим условием равновесия, могут быть выражены правилом фаз.

, где

С – число степеней свободы,

К – количество компонентов составляющих сплав,

f – количество фаз,

2 – число переменных (давление и температура).

Если принять, что все превращения в сплавах протекают при постоянном давлении, то правило фаз примет следующий вид.

При числе степеней свободы равной «о» система находится в равновесии при строго определённой температуре (жидкая и твёрдая фазы).

Свойства любого сплава зависят от того, какие соединения или какие фазы образовали компоненты сплава.

В качестве примера по изучению фазового и структурного состояния сплавов рассмотрим диаграмму системы «олово-цинк» (Sn - Zn) (смотри приложение (рис. 1))

Согласно этой диаграммы линия АВС – линия ликвидус, а линия ДВЕ – солидус. Кроме того, линия ДВЕ соответствует температуре, при которой в процессе охлаждения сплавов в них протекает эвтектическая реакция с образованием эвтектики.

Сплавы системы «олово-свинец» в основном применяются в качестве мягких припоев.

При содержании ~ 8% Zn и 92% Sn образуется эвтектический сплав. Температура его образования при кристаллизации соответствует 199⁰С.

В качестве припоев применяют сплавы с содержанием олова 90,70,60 и 40% марок ПОЦ – 90, ПОЦ – 70, ПОЦ – 60 и ПОЦ – 40.

Наилучшим из этой серии является сплав ПОЦ -90, так как он имеет самую низкую температуру кристаллизации ~202⁰С. Эти сплавы имеют более высокую прочность, нежели оловянно свинцовистые сплавы.

При образовании смесей олово-цинк свойства сплава изменяются по линейному закону, следовательно, значения свойств сплава находятся в интервале между свойствами чистых компонентов.

Литература: [1, 37-65; 3, 88-123; 3, 139 – 141].

Вопросы для самостоятельной проверки.

1. Охарактеризуйте, что такое компонент, сплав, фаза и система?

2. Как проводят построения диаграмм состояния сплавов? Что такое линия солидус и ликвидус?

3. В чём различие между эвтектической, эвтектоидной и перитектической реакциями? Запишите их и проведите фазовый и структурный анализ?

4. В чём сущность и назначение правила Курнакова?

5. Что такое твердые растворы внедрения и замещения?

6. Изобразите основные виды диаграммы состояния сплавов? Проведите структурный и фазовый состав сплавов по этим диаграммам.

12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: