Материаловедение

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА (МИИТ)»
(РУТ (МИИТ)

Одобрено кафедрой
«ТРАНСПОРТНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО»

Протокол № от             201 г.

Автор: Нисаев И.П.

ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ С МЕТОДИЧЕСКИМИ
УКАЗАНИЯМИ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Специальность/Направление: 23.03.01 Технология транспортных процессов
(ТПб)

Специализация/Профиль/Магистерская программа: (ТЕ) Организация
перевозок и управление в единой транспортной системе

Москва

Составитель:    д.т.н., профессор Нисаев И.П.

Общие указания

Контрольная работа по    дисциплине    «Материаловедение»

предусматривает выполнение студентами трех задач, которые имеют 90
вариантов и отличаются друг от друга маркировками сталей и сплавов и
числовыми значениями заданных величин. Вариант, подлежащий решению,
определяется по двум последним цифрам шифра студента

Требования к оформлению контрольной работы

• 1.    Работа выполняется в отдельной тетради, на обложке которой указывают
  название дисциплины, курс, фамилию, имя, отчество, учебный шифр
  студента.

• 2.    Писать следует на одной стороне листа или на двух при наличии
  широких полей для замечаний.

• 3.    Условие каждого раздела контрольного задания должно быть переписано
  в контрольную работу со схемой и числовыми значениями для своего
  варианта.

• 4.    Каждый раздел задания следует сопровождать краткими и четкими
  пояснениями с вычерчиванием диаграмм и графиков.

• 5.    К работе прилагают перечень использованной литературы, в конце
  работы ставят дату и подпись.

• 6.    Работы, выполненные не по своему варианту, а также написанные
  неразборчиво, не рецензируются.

• 7.    Правильно выполненная контрольная работа возвращается к студенту с
  указанием «Допущен к зачету» и при необходимости с перечнем
  замечаний, которые студент должен исправить к зачету.

• 8.    После получения отрецензированной работы студент должен исправить
  все ошибки и сделать требуемые дополнения. При большом количестве
  исправлений они делаются в конце работы.

Задание на контрольную работу

Номера вопросов к контрольной работе приведены в табл. 1.

Номера вопросов выбирают в соответствии с двумя последними цифрами
учебного шифра студента.

Таблица 1

Вопросы 1-30. По диаграмме состояний «железо – цемент» опишите, какие
структурные превращения будут происходить при медленном охлаждении из
жидкого состояния сплава с заданным содержанием углерода. Охарактеризуйте
этот сплав. Для ответа на этот вопрос используйте данные, приведенные в табл.
2.

Таблица 2

Вопросы 31-60. Расшифруйте марки сплавов согласно варианту (табл.3),
приведите номера ГОСТов и опишите влияние легирующих элементов на
свойства сплавов. Для первой колонки в разделе марка сплавов опишите
режимы термической обработки для получения заданных свойств и
превращения в структуре стали. Постройте условный график термической
обработки в координатах «температура-время».

Таблица 3

Вопросы 61-90. После проработки лекционного материала и рекомендованной
литературы дайте ответ на поставленный вопрос согласно задания.

• 61.    Кристаллическое строение металлов, виды кристаллических решеток и их
  характеристики

• 62.    Механизм процесса кристаллизации (аллотропия, полиморфизм,
  кристаллизация чистого железа)

• 63.    Упругая и пластическая деформация (наклеп, зависимость прочности от
  искажений кристаллической решетки)

• 64.    Сплавы, взаимодействие компонентов в сплавах

• 65.    Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

• 66.    Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

• 67.    Классификация сталей согласно диаграммы

• 68.    Классификация чугунов согласно диаграммы

• 69.    Классификация сталей в зависимости от содержания вредных примесей

• 70.    Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей

• 71.    Стали обыкновенного качества

• 72.    Стали качественные конструкционные

• 73.    Стали высококачественные и особовысококачественные

• 74.    Чугуны (серый, ковкий, высокопрочный), структура и свойства

• 75.    Термическая обработка (виды т. о.), полный отжиг

• 76.    Диффузионный и рекристаллизационный отжиг

• 77.    Закалка

• 78.    Диаграмма изотермического превращения аустенита

• 79.    Прокаливаемость сталей

• 80.    Нормализация

• 81.    Химико-термическая обработка, цементация

• 82.    Химико-термическая обработка, азотирование и цианирование

• 83.    Классификация сталей в зависимости от содержания углерода и
  легирующих элементов

• 84.    Медь, сплавы меди с цинком

• 85.    Медь. Сплавы меди с оловом и другими элементами

• 86.    Подшипниковые сплавы (баббиты)

• 87.    Алюминий и его сплавы, термическая обработка

• 88.    Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термической
  обработкой

• 89.    Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической
  обработкой

• 90.    Силумины и другие алюминиевые сплавы для фасонного литья

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

Отвечая на вопросы 1-30, необходимо начертить диаграмму состояний
«железо – цемент», провести на ней ординату, соответствующую заданному
процентному содержанию углерода в сплаве. Точки пересечения с линиями
диаграммы соответствуют критическим температурам, при которых в сплаве
при медленном охлаждении происходят фазовые и структурные превращения.
Рядом с диаграммой начертить кривую охлаждения данного сплава, показав
связь критических точек на диаграмме и кривой кристаллизации заданного
сплава. Описать сущность превращений, происходящих в сплаве при
медленном охлаждении из расплавленного состояния до нормальной
температуры.

Состав фаз и их процентное соотношение при заданной температуре
определите, пользуясь правилом отрезков. Для этого через точку, лежащую на
ординате сплава и соответствующую заданной температуре, проведите
горизонтальную линию до соответствующих фазовых областей, определите и
обозначьте крайние и заданную точки. Например, определяя соотношение фаз
для сплава с содержанием 2,5 % углерода при температуре 900⁰ С, в котором
имеются структурные составляющие – аустенит, цементит вторичный и
ледебурит, следует сначала выявить фазы, из которых состоит сплав при
данных условиях (аустенит и цементит), и далее определить их количество в
процентах. При этом необходимо четко представлять, что перлит и ледебурит
являются механическими смесями фаз (перлит: феррит + цементит, ледебурит:
аустенит + цементит (перлит + цементит), При температуре ниже 727 ⁰С
ледебурит состоит из перлита и цементита, т.е., в конечном итоге, из феррита и
цементита.

Вопросы 31-60 требуют знания маркировки, свойств и структуры
различных сталей, чугунов, сплавов на основе цветных металлов и
композиционных материалов.

Отвечая на вопрос, необходимо привести полный химический состав и
свойства рассматриваемого материала. Следует указать, какие именно
легирующие элементы или их сочетания придают сталям требуемые свойства,
например, повышенную прочность и вязкость, жаропрочность и т.д.;
классифицировать стали по назначению, качеству, степени раскисления и
структуре.

Маркировку, химический состав и механические свойства сплавов
определяют по соответствующим ГОСТам, например, сталь углеродистую
обыкновенного качества – по ГОСТ 380 – 88; сталь углеродистую
качественную конструкционную – по ГОСТ 1050 – 88; сталь углеродистую
инструментальную – по ГОСТ 1435 – 90; легированные стали – по ГОСТ 801 –
87, 14959 – 79, 4543 –88, 5950 –85 и др.; серый чугун – по ГОСТ 1412 – 85;
высокопрочный чугун – по ГОСТ 7293 – 85; ковкий чугун – ГОСТ 1215 – 86.

Стали обыкновенного качества. В соответствии с ГОСТ 380 – 88 сталь
углеродистую обыкновенного качества выпускают в виде проката (листов,
прутков, и т.п.) в нормализованном состоянии и в зависимости от состава и
свойств поставляют по группам А, Б, В. Стали маркируют сочетанием букв
«Ст» и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки. Стали групп Б и В
имеют перед маркой буквы Б или В, указывающие на их принадлежность к
этим группам. Группа А в обозначении марки стали не указывается. Степень
раскисления обозначают добавлением индексов: в спокойных сталях – «сп»,
полуспокойных – «пс», кипящих – «кп».

Стали группы А поставляют с гарантированными механическими
свойствами. Химический состав не гарантируется. Стали группы А
используются в состоянии поставки для изделий, изготовление которых не
сопровождается горячей обработкой. В этом случае они сохраняют структуру
нормализации и механические свойства, гарантируемые стандартом. В
большинстве случаев они используются в строительных конструкциях.

Стали группы Б поставляют с гарантированным химическим составом.
Механические свойства не гарантируются. Стали этой группы предназначены
для изделий, изготовляемых с применением горячей обработки (ковки, сварки и
в некоторых случаях термической обработки), при которой исходная структура
и механические свойства не сохраняются. Для таких сталей важны сведения о
химическом составе, необходимые для определения режимов горячей и
термической обработки.

Стали группы В поставляются с гарантированными механическими
свойствами и химическим составом. Их широко применяют для изготовления
сварных конструкций. Механические свойства каждой марки стали группы В
соответствуют нормам для аналогичных марок стали группы А, а химический
состав – нормам для тех же номеров марок группы Б. Например, сталь ВСт4сп
имеет механические свойства, аналогичные стали Ст4сп, а химический состав –
одинаковый со сталью БСт4сп.

Низкоуглеродистые стали номеров 1 – 4 применяют для строительных
конструкций, изготавливаемых сваркой и холодной деформацией.
Среднеуглеродистые стали номеров 5 и 6, обладающие большей прочностью,
предназначаются для изготовления валов, шкивов, шестерен и других деталей
машин.

Углеродистые качественные стали поставляются в виде проката,
поковок и других полуфабрикатов с гарантированным химическим составом и
механическими свойствами. Маркируются двузначными цифрами 05, 10, 15, 20,
25…, 60, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента
(ГОСТ 1050 – 88). Например, сталь 10 содержит в среднем 0,10 % С, сталь 45 –
0,45 % С и т.п. Качественные стали находят многостороннее применение в
машиностроении и приборостроении, так как в зависимости от содержания
углерода и термической и химико-термической обработки они обладают
широким диапазоном механических и технологических свойств.

Легированные конструкционные стали выпускают качественные,
высококачественные и особо высококачественные. Их, как правило, применяют

после закалки и отпуска. В обозначении марок конструкционных легированных
сталей первая цифра в начале марки указывает среднее содержание углерода в
сотых долях процента, последующие буквы и цифры свидетельствуют о
наличии и примерном содержании (в процентах) легирующих элементов (А-
азот, Б-ниобий, В-вольфрам, Г – марганец, Д-медь, Е-селен, К-кобальт, Н-
никель, М-молибден, П-фосфор, Р-бор, С-кремний, Т-титан, Ф-ванадий, Х-
хром, Ц-цирконий, Ч-редкоземельные элементы, Ю-алюминий). Если
количество легирующего элемента менее 1 – 1,5 %, цифра за обозначением
элемента не ставится. Например, сталь 20ХН3А в среднем содержит 0,20 % С, 1
% Cr и 3 % Ni. Буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная.
Особо высококачественные стали имеют в конце марки букву Ш, например,
30ХГС-Ш.

Некоторые группы сталей содержат дополнительные обозначения: марки
шарикоподшипниковых сталей начинаются с буквы Ш, электротехнических – с
буквы Э, магнитотвердых – с буквы Е, автоматных – с буквы А.

Инструментальные углеродистые стали предназначены для
изготовления режущего, измерительного инструмента и штампов холодного и
горячего деформирования.

Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435 – 90) поставляют
после отжига на зернистый перлит с гарантией на химический состав и
твердость. Их производят качественными У7, У8, У9, … , У13 и
высококачественными У7А, У8А, У9А, …, У13А. Буква «У» в марке
показывает, что сталь углеродистая, а цифра – среднее содержание углерода в
десятых долях процента.

Инструмент из углеродистых сталей теряет твердость при нагреве свыше
250 ⁰С. В связи с этим он пригоден для обработки сравнительно мягких
материалов и при небольших скоростях резания или деформирования.

В инструментальных легированных сталях одна цифра в начале марки
указывает на содержание углерода в десятых долях процента. При содержании
в них 1 % или более начальную цифру опускают. Например, в стали ХВ4
содержится более 1 % С, около 1 % Cr и 4 % W.

Быстрорежущие стали – группа высоколегированных сталей,
предназначенных для изготовления высокопроизводительно инструмента.
Основное свойство этих сталей – высокая теплостойкость, которая
обеспечивается введением большого количества вольфрама совместно с
другими карбидообразующими элементами (Mo, V, Cr), а также кобальтом.
Быстрорежущие стали обозначаются буквой Р, цифра после нее указывает
содержание вольфрама – основного легирующего элемента в процентах.
Содержание ванадия (20 %) и хрома, количество которого примерно 4 % во
всех сталях, в марке не указывается. Стали, содержащие дополнительно
молибден, кобальт или повышенный процент ванадия, имеют в марке
соответственно букву М, К, Ф и цифры, показывающие их количество,
например, Р10К5Ф5.

Твердые сплавы – материалы, состоящие из высокотвердых и
тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, связанных кобальтом. В
зависимости от состава карбидной основы твердые сплавы группируются.

Первую (вольфрамовую) группу составляют сплавы системы WC-Co. Они
маркируются буквами ВК и цифрой, показывающей содержание кобальта.
Сплавы этой группы применяют для изготовления режущего инструмента,
используемого при обработке материалов, дающих прерывистую стружку
(чугуна, цветных металлов).

Вторую группу (титановольфрамовую) образуют сплавы системы TiC-
WC-Co. Они маркируются буквами Т, К и цифрами, показывающими
содержание карбида титана и кобальта. Их наиболее широко применяют для
высокоскоростного резания сталей.

Третью группу (титанотанталовольфрамовую) образуют сплавы системы
TiC-TaC-WC-Co. Цифра в марке после букв ТТ обозначает суммарное
содержание карбидов титана и тантала, а после буквы К – кобальта. От
предыдущей группы эти сплавы отличаются большей прочностью и лучшей
сопротивляемостью вибрациям и выкрашиванию. Они применяются для
наиболее тяжелых условий резания (черновая обработка стальных слитков,
отливок, поковок).

Серые чугуны по ГОСТ 1412 – 85 маркируются так: СЧ25, где СЧ –
серый чугун, 25 – предел прочности при растяжении σ_в (250 МПа).

Ковкие (ГОСТ 1215 – 86) и высокопрочные чугуны ГОСТ (7293 – 85)
маркируются иначе: КЧ45 – 7 или ВЧ60, где КЧ – ковкий, а ВЧ –
высокопрочный чугун, 45 или 60 – предел прочности при растяжении σ_в (450
или 600 МПа), 7 – относительное удлинение δ, %.

Следует помнить, что принятые условные обозначения химических
элементов для латуней, бронз, алюминиевых и других сплавов цветных
металлов отличаются от условных обозначений, принятых для сталей.

Латуни (сплавы меди с цинком). Деформируемые латуни по ГОСТ
15527–70 маркируются буквой Л, за которой следует цифра, показывающая
среднее содержание меди в сплаве, например, Л85 – латунь с содержанием
меди 85 % остальное цинк. В марках латуней кроме цифры, показывающей
содержание меди, даются буквы и цифры, обозначающие название и
количество в процентах других элементов (кроме цинка), например, ЛАН59-3-2
содержит 59 % меди, 3 % алюминия, 2 % никеля, остальное цинк. Литейные
латуни по ГОСТ 17711-93. Маркировка начинается с буквы Л, далее буквенное
обозначение основного легирующего элемента (цинк) и каждого остального
входящего элемента. Например, ЛЦ40С – латунь, содержащая 40 % Zn, 1 % Pb,
остальное 59 % Cu.

Бронзы маркируются деформируемые согласно ГОСТ 5017-74, ГОСТ
18175-78, например, БрОЦС4-4-2,5. Бронзы литейные ГОСТ 613-79 , ГОСТ 493-
79 маркируются БрО10Ф1, где Бр – бронза, О – олово, Ф – фосфор, Ц- цинк, С
– свинец, а цифры – их процентное содержание в сплаве, остальное медь.

Алюминиевые сплавы разделяются на деформируемые (ГОСТ 4784-74),
литейные (ГОСТ 2685-75) и изготовляемые способом порошковой металлургии

(ГОСТ 3882-74). Деформируемые сплавы подразделяются на не упрочняемые
термической обработкой (система Al – Mn и Al – Mg) – AMц и AMг6 и
упрочняемые термической обработкой (система Al – Mg – Si, Al – Cu – Mg) –
АВ, АД31, Д1, Д16 и др. Важнейшими из них являются дуралюмины.

Дуралюмины маркируются буквами Д.

Важнейшие литейные алюминиевые сплавы, относящиеся к системам Al
– Si и Al – Si – Cu, называются силуминами. Примерами таких сплавов
являются соответственно АЛ2 и АЛ5.

Титановые сплавы маркируются по ГОСТ 19807-74, а баббиты – по ГОСТ
1320-74 и 1209-73.

Рекомендуемая литература

Обязательная

• 7.1.    Фетисов Г.П. и др. Материаловедение и технология металлов: Учеб.
  для вузов. – М.: Высшая школа, 2007. – 861с.

• 7.2.    Материаловедение и технология конструкционных материалов для
  железнодорожной техники. Под редакцией д.т.н., профессора Н.Н. Воронина. –
  М.:Маршрут,2004. – 454 с.

Дополнительная

• 7.3.    Лахитин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учеб. для вузов. –
  М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.

• 7.4.    Зарембо Е.Г. Материаловедение и технология материалов: Уч. пос. –
  М.: РГОТУПС, 2005. – 188 с.

Примечание. В случае отсутствия указанной выше литературы для изучения курса
пригодны любые учебники и задачники с названием «Материаловедение» или
«Материаловедение и технология конструкционных материалов».