Реферат Курсовая Конспект
Ознакомление со способами получения, составом и свойствами неметаллических конструкционных материалов, применяемых в машиностроении - раздел Машиностроение, Введение. Вопросы:...
|
Введение.
Вопросы:
1. Цели и задачи дисциплины «Материаловедение и технология материалов».
2. Связь дисциплины «Материаловедение и технология материалов» с другими дисциплинами.
3. Роль отечественных и зарубежных учёных в развитии материаловедения как науки.
1. Материаловедение и технология материалов – это комплексный учебный курс, обеспечивающий успешную подготовку техников – механиков.
Материаловедение – это наука, изучающая связь между структурой и свойствами, а также их изменения при внешнем воздействии.
Металловедение – это наука о строении и свойствах металлов и сплавов, об улучшении этих свойств путем изменения химического состава и посредством термического и других видов воздействий на эти материалы, о поведении металлов и сплавов в процессе обработки и при эксплуатации изделий, а также о рациональном использовании металлов и сплавов в народном хозяйстве.
Основные задачи курса:
1. Изучение основ металловедения и термической обработки.
2. Ознакомление с литейным производством; обработкой металлов давлением; сварочным производством; обработкой металлов резанием и металлорежущими станками.
3. Ознакомление со способами получения, составом и свойствами неметаллических конструкционных материалов, применяемых в машиностроении.
2. Изучение дисциплины базируется на знаниях, полученных учащимися на уроках «Физики» и «Химии» и в свою очередь дисциплина является базовой для изучения таких дисциплин специального цикла как «Тракторы и автомобили», «С/х машины», «Устройство автомобиля», «ТО и ремонт автомобиля».
3.Основоположником металловедения является знаменитый русский ученый Дмитрий Константинович Чернов (1839 – 1921 гг.). В 1868 году им было сделано замечательное открытие. Он установил, что при нагреве твердой стали до определенных температур, зависящих от ее состава, в ней происходят внутренние превращения, приводящие к изменению свойств. Таким образом, была показана связь между составом, строением и свойствами стали.
Открытие Д. К. Чернова получило всемирное признание. Представления Д. К. Чернова о температурах, при которых совершаются внутренние превращения, так называемых критических точках, легли в основу современного учения о термической обработке – самого распространенного способа изменения свойств металлов и сплавов.
Большую известность получили работы Д. К. Чернова по изучению кристаллизации металлов и строению слитка, которые определили основные положения современной теории литья металлов и сплавов.
Открытию Д. К. Чернова предшествовали работы ряда отечественных ученых и производственников, среди них в первую очередь следует отметить П. П. Аносова (1799 – 1851 гг.), который обратил внимание на то, что качество стали зависит не только от ее химического состава, но и от структуры. П. П. Аносов впервые в мировой практике применил микроскоп для исследования травленой поверхности стали. Таким образом, он положил начало макро- и микроскопическим исследованиям металлов и сплавов — наиболее распространенным методам исследования структуры металлических материалов и в настоящее время. Он освоил производство клинковой, так называемой булатной, стали, которая по своим свойствам превосходила знаменитую сталь дамасских мастеров. Кроме того, П. П. Аносов занимался изучением влияния различных элементов на свойства стали, им был разработан принципиально новый метод газовой цементации стали.
В создании качественной стали большую роль сыграло открытие инженерами А. С. Лавровым и Н. В. Калакуцким неоднородности по составу и строению стальных слитков.
Развитию металловедения способствовало открытие в 1869г. периодического закона Д. И. Менделеева. Используя этот закон, металловеды получили возможность предвидеть свойства не только чистых металлов, но и сплавов металлов с металлами и неметаллами.
Велика заслуга А. А. Ржешотарского, создавшего оснащенную металлографическую лабораторию на Обуховском заводе в Петербурге и написавшего первое практическое руководство по металлографическому анализу.
Становлению металловедения в XIX в. способствовали работы многих иностранных ученых: Ф. Осмонда и А. Портевена (Франция), Г. Таммана (Германия), Р. Аустена (Англия), Г. Хоу (США) и др.
Отечественные ученые внесли большой вклад в развитие различных научных направлений в металловедении, в разработку новых методов исследования металлов и сплавов. Работы академика Н. С. Курнакова и его школы привели к установлению зависимости свойств сплавов от их состава. Разработка теории термической обработки стали связана с именами профессоров С. С. Штейнберга (1872—1940 гг.), Н. А. Минкевича (1883 – 1942 гг.) и их учеников. Большой вклад в развитие теории фазовых превращений внесли крупные советские ученые Н. Т. Гудцов, С. Т. Конобеевский, А. А. Байков, Г. В. Курдюмов, И. Н. Богачов, В. Д. Садовский, А. А. Бочвар, И. И. Корнилов.
Успешное развитие новой технологии производства металлических материалов связано с работами С. М. Воронова, С. Т. Кишкина, И. Н. Фридляндера.
Раздел 1. Производство черных и цветных металлов.
Тема 1. Производство чугуна.
Вопросы:
Исходные материалы и продукты доменной плавки.
Доменная печь, ее устройство и работа.
Тема 2. Конвентерный, мартеновский и электроплавильный способы получения стали
Вопросы:
Кислородно-конвертерный способ производства стали.
Производство стали в мартеновских печах.
Электрододержатели
Тема 3. Способы внепечного рафинирования стали. Разливка стали.
Вопросы:
Внепечное рафинирование стали.
Разливка стали в изложницы.
Рис. 6
Применяют также способ вакуумирования в ковше, помещенном в вакуумную камеру, вакуумирование струи при разливке и т. д. Помимо вакуумирования, существуют способы рафинирования стали синтетическими шлаками при продувке металла аргоном.
2. Разливка стали в изложницы.Существуют два способа разливки: в изложницы и в кристаллизатор на установках непрерывной разливки. Изложницы представляют чугунные или реже стальные формы. Для облегчения выемки слитка их делают конусными. Поперечное сечение изложниц для слитков, идущих на прокатку, – квадратное (рис. 7, а) или прямоугольное, для слитков под ковку – многоугольное (рис.7, б) или круглое. Изложницы заполняют сталью сверху или снизу. Для получения многих мелких слитков применяют сифонную разливку (рис. 8) в изложницы с открытым дном, установленные на поддоне. При этом из ковша струю металла направляют в центральный литник, от которого металл по каналам подводится к изложницам и снизу плавно, без разбрызгивания их заполняет, благодаря чему слитки получаются с относительно чистой поверхностью.
Заполнение сверху производят в изложницу с глухим дном, поэтому слиток получается более плотным, чем при сифонной разливке, так как сталь поступает сверху и лучше «питает» слиток, но металл разбрызгивается и поверхность слитка получается более шероховатой.
Рис. 7 Рис. 8
Разливкой сверху получают преимущественно крупные слитки массой до 20 т для прокатки и в некоторых случаях массой до 300 т и более для специальных поковок.
Непрерывная разливка(в кристаллизатор). На рис. 9 приведена схема непрерывной разливки стали. Из ковша 2 через промежуточное разливочное устройство 1 сталь непрерывно поступает в кристаллизатор 3, охлаждаемый водой. В кристаллизаторе формируется слиток – образуются его поверхности. Наиболее рациональным является слиток прямоугольного профиля размерами от 150x500 до 200x600 мм. Затвердевающий слиток непрерывно вытягивается из кристаллизатора вращающимися роликами 5 со скоростью 0,5…1,5 м/мин. В зоне между кристаллизатором и роликами слиток непрерывно охлаждается мелко распыленной водой для ускорения кристаллизации стали внутри слитка и уменьшения длины жидкой лунки 4. Разделение слитка на куски нужной длины производят резкой струей кислорода, для чего ниже тянущих роликов 5 слиток сцепляется с тележкой газорезки 6, которая вместе с ним движется вниз. Отрезанные куски убирают на склад, либо помещают в печь, откуда они поступают для дальнейшей обработки прокаткой или ковкой.
Для того чтобы начать разливку, в кристаллизатор вставляют как временное дно стальной брус-затравку, на котором кристаллизуется сталь.
Рассмотренная схема вертикальной непрерывной разливки обеспечивает оптимальные условия кристаллизации, однако она требует большой высоты установки. Поэтому применяют также установки с изгибом слитка или с изогнутым (радиальным) кристаллизатором, на которых внутренняя жидкая, часть слитка затвердевает на перегибе и в горизонтальном положении.
Непрерывная разливка имеет ряд преимуществ. Она позволяет получать заготовки сравнительно небольшого сечения, поэтому сокращается время их получения и обработки и устраняется необходимость многих трудоемких операций с применением дорогостоящего оборудования (например, разливки стали по изложницам, прокатки на блюмингах или на слябингах и др.).
Кроме того, при непрерывной разливке отходы стали из-за отсутствия усадочных дефектов составляют всего 2-3 % вместо 15-25 % при разливке в изложницы.
Рис.9
Тема 4. Краткие сведения о производстве цветных металлов.
Вопросы:
Производство меди. Исходные материалы. Получение медных штейнов. Рафинирование меди.
Производство алюминия. Исходные материалы. Производство глинозема. Электролитическое производство алюминия. Рафинирование алюминия.
Производство титана. Титановые руды. Схемы получения титана.
Раздел 2. Основы металловедения.
Тема 5. Строение и свойства металлов.
Вопросы:
Классификация металлов.
2. Кристаллическое строение металлов. Типы кристаллических решёток.
Аллотропические превращения в металлах.
Процесс кристаллизации.
Термические кривые нагрева и охлаждения металлов.
Тема 6. Механические свойства металлов, методы их испытаний
Вопросы:
Механические свойства металлов, основные определения.
Определение механических свойств при испытании на растяжение. Анализ диаграммы растяжения.
3. Определение твёрдости методами Бринелля и Роквелла (см. ЛР№1).
Рис. 15 Образцы для испытания на растяжение Рис.16 Диаграмма растяжения
а – плоский образец; б – цилиндрический образец стального образца
Определяют пластичность материала, характеризуемую относительным удлинением б (%) и относительным сужением ψ (%) площади поперечного сечения.
Относительное удлинение определяется по формуле:
где l1 – длина образца после разрыва; lо – длина образца до испытания.
Относительное сужение определяется по формуле:
где F1 – площадь сечения образца в месте разрыва.
3.Определение твёрдости методами Бринелля и Роквелла (см. ЛР№1).
Тема 7. Методы исследования микро- и макроструктуры металлов и сплавов, контроля качества изделий.
Вопросы:
Макроанализ.
Микроанализ.
Рентгеноструктурный анализ.
Рис.17 Рис.18
Для исследования материалов применяют ультразвуковые колебания частотой от 2 до 10 МГц. При такой частоте колебания распространяются в материале подобно лучам, почти не рассеиваясь по сторонам. Ими можно «просвечивать» материалы на глубину свыше 1 м. Ультразвук отражается на поверхности раздела разнородных сред. Поэтому ультразвук не проходит через трещины, раковины, включения, образуя акустическую тень а (рис. 18).
Для этого пользуются пьезоэлектрическими излучателями и приемниками.
Тема 8. Основы теории сплавов. Диаграммы состояния двойных сплавов
Вопросы:
Понятие о сплаве, компоненте, фазе, системе.
2. Структурные составляющие при кристаллизации сплавов: твердые растворы, химические соединения, механические смеси.
Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.
Вопросы:
1.Диаграмма состояния системы «железо-цементит» в упрощенном виде.
Характерные точки и линии диаграммы «железо-цементит».
Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.
Тема 10. Основы теории термической обработки. Диаграмма изотермического превращения аустенита.
Вопросы:
Превращения при нагревании стали.
Диаграмма изотермического превращения аустенита.
Тема 11. Термическая обработка. Отжиг и нормализация стали.
Вопросы:
Термическая обработка. Классификация видов термической обработки.
Отжиг. Виды отжига.
Тема 12. Закалка и отпуск углеродистой стали.
Вопросы:
Сущность процесса закалки.
Температура нагрева углеродистых сталей под закалку.
Закалочные среды и прокаливаемость.
Способы закалки сталей.
Тема 13. Особенности термической обработки легированных сталей и чугунов.
Дефекты и брак при термической обработке
Вопросы:
Особенности термической обработки легированных сталей и чугунов.
Тема 14. Цементация и азотирование.
Вопросы:
1. Химико-термическая обработка, её сущность.
2. Цементация твердым карбюризатором.
Газовая цементация.
Термическая обработка после цементации.
Тема 15. Цианирование и диффузионная металлизация.
Вопросы:
1. Жидкостное цианирование.
Тема 16. Влияние постоянных примесей на свойства углеродистых сталей.
Вопросы:
Структура и свойства медленно охлажденной стали.
Рис. 24
В точке е1 выпадение кристаллов феррита заканчивается и происходит распадение оставшегося аустенита в смесь феррита и цементита – перлит. Температуру превращения сплавов по линии PSK (эвтектоидное превращение) обозначают А1.
Рис. 25
Ниже линии Аr1 происходит выделение цементита из феррита, этот цементит называют третичным. С выделением третичного цементита массовое содержание углерода в феррите постепенно понижается от 0,02 % при 723°С до 0,006 % при 0°С. Таким образом, в структуру доэвтектоидной стали, содержащей более 0,02 % С, после медленного охлаждения входят перлит и феррит, а при содержании меньше 0,02 % С – феррит и цементит третичный.
На рис. 24, б приведена микроструктура стали с массовым содержанием С 0,3 % (х500).
При охлаждении заэвтектоидной стали, например стали с 1,2 % С (см. рис. 23), при температуре, отвечающей точке с2, начинается вторичная кристаллизация цементита из аустенита. Температуру превращения по линии SE обозначают Асm. Количество углерода в аустените между точками с2 и е2 непрерывно уменьшается, так как кристаллы цементита содержат 6,67 % С. В точке е происходит эвтектоидное превращение аустенита. Таким образом, в структуру заэвтектоидной стали после медленного охлаждения входят перлит и цементит вторичный (избыточный). На рис. 24, в приведена схема микроструктуры заэвтектоидной стали (х500). Здесь цементит образует тонкую сетку игл на фоне перлита. Избыточный цементит в структуре стали никогда не занимает больших участков, и заэвтектоидная сталь состоит в основном из перлита.
Свойства стали зависят от ее состава и структуры. Феррит – фаза мягкая и пластичная; цементит, наоборот, придает стали твердость и хрупкость; перлит содержит 1/8 цементита и поэтому имеет повышенные прочность и твердость по сравнению с ферритом.
На рис. 25 приведены кривые изменения механических свойств стали в зависимости от массового содержания углерода.
2. Влияние примесей на свойства углеродистой стали.Кроме углерода в углеродистой стали всегда присутствуют кремний, марганец, сера и фосфор, которые оказывают различное влияние на свойства стали.
Кремний и марганец в указанных пределах существенного влияния на свойства стали не оказывают. С повышением их массового содержания (кремния выше 0,8 %, марганца – 1,0 %) наблюдается увеличение твердости и прочности стали. Однако такая сталь уже считается легированной.
Сера является вредной примесью, она не растворяется в железе, как другие примеси, а образует с ним химическое соединение FeS (сернистое железо). Сернистое железо с железом образует эвтектику FeS–Fe с температурой плавления 985°С. При затвердевании стали эта эвтектика располагается в виде легкоплавких оболочек вокруг зерен. Наличие таких оболочек является причиной красноломкости (хрупкости при красном калении) стали с повышенным массовым содержанием серы при горячей обработке: оболочки расплавляются, в результате чего между зернами теряется связь и образуются трещины. Кроме того, сера понижает пластичность и прочность стали, сопротивление истиранию и коррозионную стойкость.
Фосфор придает стали хладноломкость (хрупкость при обычной и пониженной температуре). Это объясняется тем, что фосфор вызывает сильную внутрикристаллическую ликвацию, так как его присутствие увеличивает интервал температуры между началом и окончанием затвердевания – точками ликвидуса и солидуса; в результате образуется крупнозернистая структура металла.
Однако в так называемых автоматных сталях, содержащих до 0,3 % С, допускается массовое содержание фосфора до 0,15 % и серы до 0,2 %.
Тема 17. Классификация и маркировка углеродистых сталей.
Вопросы:
Классификация углеродистых сталей.
Углеродистые стали обыкновенного качества.
Углеродистые качественные конструкционные стали.
Тема 18. Легированные стали, их классификация и маркировка.
Вопросы:
Общие сведения о легированных сталях. Условное обозначение легирующих элементов.
Легирование сталей, их классификация и маркировка.
Тема 19. Легированные конструкционные стали, их область применения.
Вопросы:
Низколегированные стали.
Улучшаемые стали.
Тема 20. Легированные инструментальные стали.
Вопросы:
Стали для изготовления штампов и измерительного инструмента.
2. Низколегированная сталь для режущего инструмента.
Тема 21. Легированные специальные стали
Вопросы:
Шарикоподшипниковые стали.
Высокопрочные и износоустойчивые стали.
Коррозионно-стойкие стали.
Жаростойкие и жаропрочные стали.
Общие сведения о металлокерамических твердых сплавах.
Группы металлокерамических твердых сплавов, их маркировка и область применения.
Тема 23. Минералокерамика и сверхтвердые инструментальные материалы.
Вопросы:
Минералокерамика.
Тема 24. Чугуны.
Вопросы:
Белые чугуны, маркировка и область применения.
Серые чугуны, их свойства, маркировка и область применения.
Высокопрочные чугуны, их свойства, маркировка и область применения.
Тема 26. Медь. Сплавы на медной основе, их маркировка и область применения.
Вопросы:
1. Медь, её свойства и область применения.
Латуни, их свойства, маркировка и область применения.
Тема 27. Алюминий. Алюминиевые сплавы, их маркировка и область применения.
Вопросы:
Алюминий, его свойства и область применения.
Литейные алюминиевые сплавы.
Деформируемые алюминиевые сплавы.
Тема 28. Магниевые и титановые сплавы, их маркировка и область применения.
Вопросы:
Магний и его сплавы.
Тема 29. Антифрикционные сплавы, их маркировка и область применения
Вопросы:
Общие сведения об антифрикционных сплавах.
Антифрикционные бронзы и чугуны.
Тема 30. Коррозия металлов и методы борьбы с ней.
Вопросы:
Классификация видов коррозии металлов.
Характеристика видов коррозии металлов.
Рис.26
2. Электрохимической коррозией называют процесс самопроизвольного взаимодействия металла с жидкостью – электролитом, в ходе которого последовательно протекает окисление металла и восстановление окислительного компонента; окислительный компонент при этом не входит в состав продукта коррозии (например, Fе + 2Н2О = Fе(ОН)2 + 2Н+ + 2е).
Химической коррозией называют процесс самопроизвольного взаимодействия металла с окислительным компонентом коррозионной среды, не зависящий от электродного потенциала металла. В чистом виде химическая коррозия наблюдается, например, при горячей обработке металлов (продуктом является окалина), на деталях топок и котлов, тепловых двигателей, танкеров, газо - и нефтепроводов и пр.
Атмосферная коррозия совмещает особенности химической и электрохимической коррозии.
3. На практике применяются следующие способы защиты металлических изделий от коррозии; металлические и неметаллические покрытия, ингибиторы коррозии, электрохимическая защита.
Металлические покрытия бывают анодные и катодные. Анодные покрытия – покрытие железа цинком. Анодное покрытие защищает основной металл готовых изделий электрохимически. Катодные покрытия производят металлами, электродным потенциал которых в данном электролите выше потенциала основного металла. Катодные покрытия создают механическую защиту основного металла. Металлические покрытия наносят гальваническим, термодиффузионным, горячим способами, а также напылением, плакированном, припеканием.
Неметаллические покрытия –к ним относятся покрытия лаками, красками, смазкой, эмалями, а также резиной и эбонитом (гуммирование).
Ингибиторы коррозии – это соединения, которые вводят в небольших количествах в агрессивную среду для предотвращения или уменьшения скорости коррозии. Их используют для защиты металлоконструкций буровых скважин, трубопроводов, теплообменных аппаратов, химического оборудования.
Химическая защита – это создание на поверхности изделий защитных неметаллических пленок за счет окисления поверхностного слоя металла. Сам процесс называют оксидированием, а на железе и стали – воронением. Для воронения сталей заготовки погружают в растворы азотнокислых солей при температуре 140 °С. Применяют для алюминия, магния и их сплавов для защиты изделий от воздуха и осадков.
Электрохимическая защита разделяется на протекторную и катодную.
Сущность протекторной защиты: вблизи поверхности, подлежащей защите, устанавливают протекторы из металла, имеющего в данном электролите меньший электродный потенциал, чем потенциал основного металла. Протектор будет анодом, а основной металл – катодом. Протектор будет постепенно разрушаться, защищая тем самым основной металл (подводные части судна).
Катодную защиту применяют для подземных металлических сооружений (трубопроводов, кабелей и т. д.), которые присоединяются к отрицательному полюсу источника постоянного тока; положительный полюс заземлен.
Раздел 3. Неметаллические конструкционные материалы
Тема 31. Высокомолекулярные соединения (полимеры), применяемые в
Машиностроении
Вопросы:
Синтетические и природные полимеры.
Тема 32. Пластические массы, их состав, свойства. Получение изделий из пластмасс.
Вопросы:
Общие сведения о пластмассах.
2. Виды пластмасс: термореактивные и термопластичные.
Тема 33. Резиновые материалы, их состав и область применения.
Вопросы:
Общие сведения о резине.
Виды резин.
Тема 34. Древесные материалы.
Вопросы:
Строение древесины, ее физические и механические свойства.
Материалы из древесины.
Тема 35. Лакокрасочные и клеевые материалы.
Вопросы:
Состав и классификация лакокрасочных покрытий.
Последовательность и способы нанесения лакокрасочных покрытий.
Состав и классификация клеевых материалов.
Тема 36. Прокладочные и фрикционные материалы
Вопросы:
Прокладочные материалы.
Раздел 4. Порошковая металлургия. Прогрессивные материалы в машиностроении
Тема 37. Порошковая металлургия. Производство изделий из металлических порошков.
Вопросы:
Общие сведения о порошковой металлургии.
Классификация и применение порошковых материалов.
Тема 38. Напыленные покрытия
Вопросы:
Способ получения напыленных покрытий.
Преимущества напыленных покрытий.
Композиционные материалы, их состав.
Тема 40. Волокнистые композиты, их состав, свойства и область применения
Вопросы:
Карбоволокниты.
Бороволокниты.
Тема 41. Аморфные металлы. Сплавы с эффектом памяти
Вопросы:
Аморфные сплавы.
Магнитно-мягкие аморфные сплавы.
Тема 42. Техническая керамика
Вопросы:
Общие сведения о технической керамике.
2. Керамика на основе чистых оксидов.
Раздел 5. Литейное производство
Тема 43. Общие положения о литейном производстве
Вопросы:
Сущность и назначение литейного производства. Модельный комплект, его назначение и состав.
Требования к стержневым и формовочным смесям, их состав.
Раздел 6. Обработка металлов давлением
Тема 44. Основы теории обработки металлов давлением
Вопросы:
Сущность обработки давлением. Пластическая деформация металлов.
Явления возврата и рекристаллизации.
Нагрев и нагревательные устройства.
Раздел 7. Сварочное производство
Тема 45. Общие сведения о сварке
Вопросы:
Сущность процесса сварки. Виды сварки и сварных соединений.
– Конец работы –
Используемые теги: ознакомление, способами, получения, составом, свойствами, еталлических, конструкционных, материалов, меняемых, машиностроении0.126
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Ознакомление со способами получения, составом и свойствами неметаллических конструкционных материалов, применяемых в машиностроении
Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Твитнуть |
Новости и инфо для студентов