Методические указания по выполнению первой контрольной работы

1. Ответы даются в соответствии с материалом учебников, которые указаны после текста каждого варианта.

2. Четвертый вопрос имеет 25 вариантов.

В каждом из вариантов требуется начертить диаграмму состояния железо-углерод и построить кривую охлаждения сплава с заданным содержанием углерода при его медленном охлаждении от 1600 до 0 °С.

Описать превращения, происходящие в сплаве; после чего дать определение всем образующимся структурам.

Диаграмма должна быть начерчена в соответствии с пунктом 12 общих методических указаний на листе размером 204´334 мм, равном формату развернутой тетради.

Диаграмма чертится полностью, как на рис.1, с указанием структур во всех ее зонах и в масштабе: по вертикали в 1 см – 100 °C и по горизонтали в 2,5 см – 1% углерода.

Обозначения структур в зонах диаграмм должны быть выполнены, как показано на рис.1 методических указаний. Для кривой охлаждения масштаб по вертикали тот же, что и для диаграммы, а по горизонтали (время в секундах) выбирается с расчетом, чтобы кривая поместилась справа от диаграммы (см. рис.1). Температуры на кривой охлаждения показываются в градусах, а не буквами или цифрами.

При ответе на вопрос 4 руководствуйтесь следующими рекомендациями:

2.1. Вычертить полностью диаграмму состояния железо-углерод, справа от нее систему координат (температура – время) для построения кривой охлаждения. По оси «время» цифры не ставятся, т.к. эта кривая схематическая.

2.2. На горизонтальной оси содержания компонентов отмечаем заданную концентрацию углерода и через нее проводим вертикальную линию, пересекающую все линии диаграммы. Точки пересечения отмечаем (например, точками). В каждой такой точке в структуре сплава по мере охлаждения происходит какое-либо превращение. Через каждую отмеченную точку ведем вправо тонкую (или пунктирную) горизонтальную линию. Пересечение этой линии с вертикальной осью покажет температуру соответствующего превращения в сплаве, поэтому на кривой охлаждения будет точка изменения наклона и горизонтальный участок.

2.3. Если линия заданного состава пересекает линию АСД диаграммы – ликвидус, где происходит первичная кристаллизация из жидкого состояния, то охлаждение замедляется, и кривая охлаждения ниже данной температуры становится более пологой.

2.4. Если линия состава пересекает линию GSE (вторичная кристаллизация), где происходит выделение избыточной твердой фазы, то охлаждение замедляется, и кривая охлаждения ниже данной температуры становится более пологой.

2.5. Если линия заданного состава пересекает линию ЕС (эвтектического ледебуритного превращения) при 1147 °С или линию Р5К (эвтектоидного перлитного превращения) при 727 °C, то на кривой охлаждения при данных температурах обязательно будет горизонтальный участок.

2.6. На участке АЕ, линии солидус, при аустенитном превращении сплава, дальнейшей кристаллизации не происходит, поэтому кривая охлаждения ниже этих температур становится более крутой, т.к. охлаждение замедляется.

Рассмотрим пример охлаждения сплава (заэвтектоидной стали), содержащего 1,4% углерода (см. рис.1)

В интервале температур 1600…1470 °C сплав жидкий и охлаждается быстро, т.к. превращений в нем не происходит, кривая охлаждения круто опускается вниз.

При 1470 °C на линии ликвидус АС начинается первичная кристаллизация. Из жидкого сплава (в данном примере) выделяются избыточные по отношению к эвтектике кристаллы аустенита. Поэтому скорость охлаждения замедляется, т.к. выделяется скрытая теплота кристаллизации (см. пункт 2.2).

Процесс кристаллизации продолжается до температуры 1300°C на линии АЕ. В интервале температур от 1300 до 900 °C кристаллизация не происходит, твердый сплав имеет структуру аустенита.

Сплав охлаждается быстрее, и кривая охлаждения (см. пункт 2.6) становится круче.

При температуре 900° на линии SЕ начинается вторичная кристаллизация.

В интервале температур 900…727 °C из аустенита кристаллизуется цементит вторичный, выделяется теплота кристаллизации. Охлаждение замедляется, и кривая становится более пологой.

При 727 °C линия состава пересекает линию PSK, и сплав приобретает эвтектоидную концентрацию. Аустенит превращается в перлит, происходит эвтектоидное перлитное превращение. На кривой охлаждения (см. пункт 2.5) образуется горизонтальный участок. Ниже температуры 727 °C структурных превращений не происходит, и сплав продолжает охлаждаться.

Окончательная структура данного сплава – перлит и цементит вторичный.

Далее даются описания полученных структур (в данном случае перлита и вторичного цементита).

3. Пятый вопрос имеет 25 вариантов, включенных в табл.7

По каждому из вариантов следует расшифровать марки заданных конструкционных и инструментальных материалов, указать номер стандарта, по которому изготовляется этот материал, привести химический состав, значения прочности, твердости.

Затем привести примеры применения каждого материала, используя литературу, рекомендуемую в Методических указаниях (4) (5), а также перечень ГОСТов на стали и сплавы; Таблицы 8-11 Приложения.

Ниже приводится образец ответа на вопрос 6.

1. 15ХСНД – низколегированная качественная сталь по ГОСТ1050-88. Содержит 0,15% С, примерно по 1% хрома (X), кремния (С), никеля (Н) и меди (Д), имеет (s_в=460 МПа, s_а2= 33МПа, d= 21%).

Применяется для сварных строительных ферм, конструкций мостов, осей, тяг, корпусов аппаратов и сосудов. Стойкая к атмосферной коррозии.

2. СЧ15 – серный чугун по ГОСТ1412-85 ферритный, с графитом пластинчатой формы. Имеет s_в не менее 147 МПa, s_изг ≥ 314 МПа, относительное удлинение d 1%.

Применяется для изделий неответственного назначения (крышки люков, шкивы, корпуса редукторов, насосов).

3. 20 – машиностроительная углеродистая конструкционная качественная сталь по ГОСТ1050-88 содержит 0,2% С, упрочняется в поверхностном слое, s_в =700 МПа, d = 12%.

Применяется для изготовления цементируемых, нитроцементируемых, цианируемых деталей, не требующих высокой прочности сердцевины (оси каретки велосипеда, сельскохозяйственные машины).

4. 6C2ХФА – пружинная легированная высококачественная сталь с высокими механическими свойствами после термической обработки. s_в после ТО = 1300 МПа, твердость после ТО = 45-48 НRС. Содержит 0,6%С, 2% кремния (С), примерно по одному проценту хрома (X) и ванадия (Ф). А – высококачественная.

Применяется для особо ответственных толстых пружин, работающих при нагреве до 200-250 °C, требует поверхностного упрочнения обдувкой дробью.

5. 45Х14Н14В2М – легированная жаропрочная до 650 °C сталь по ГОСТ5632-72. Структура аустенитная с карбидным упрочнением. содержит 0,45% С; 14% хрома (X14), 14% никеля (H14), 2% вольфрама (В2) и 1% молибдена (М). Имеет предел длительной прочности s₁₀₀₀₀ =130 МПа.

Применяется для изготовления выпускных клапанов форсированных двигателей внутреннего сгорания, деталей особо ответственных трубопроводов, жаропрочных болтов, лопаток и дисков газовых турбин, работающих при 650 °C.

6. 12Х18Н9Т – легированная, коррозионностойкая сталь аустенитной структуры. Содержит 0,12% С, 18% хрома (Х18), 9% никеля (Н9) и примерно 1% титана (Т); имеет s_в = 520 МПа, d =40%, НВ = 1000.

Применяется для изготовления баков, труб, деталей, сопротивляющихся коррозии в морской воде, лаках, органических и азотных кислотах, в слабых щелочах. Также жаропрочна до 600°C. Хорошо сваривается аргонодуговой сваркой.

7. ЗХ2В8Ф – инструментальная легированная сталь по ГОСТ5950-73. Содержит 0,3% С, 2% хрома (Х2), 8% вольфрама (В8) и 1% ванадия (Ф); теплостойкая, штамповая.

Применяется для изготовления штампов, форм для машин литья под давлением, стойкая к образованию поверхностных трещин. Необходимая термообработка состоит в закалке с 10504-1100°C в масло + отпуск при 550+ 650 °C. Твердость после ТО составляет НRС = 45... 50.

8. ТТ7К12 – твердый металлокерамический инструментальный сплав по ГОСТ3882-74. Содержит 81% карбида вольфрама (WС); 4% карбида титана (Ti С) + 3% карбида тантала (Т С), т.е. вместе 7% – (ТТ7); 12% связки – металлический кобальт (К 12). Имеет предел прочности при изгибе s_изг =1650 МПа, твердость НRА = 87.

Применяется в качестве режущих элементов для черновой обточки в тяжелых условиях по корке с раковинами при наличии песка и неметаллических включений.

9. АЛ20 – алюминиевый литейный сплав по ГОСТ1583-93. Содержит алюминиевую основу, легированную 4% меди (Сu), 1% магния (Мg), 1% кремния (Si), 1,5% железа (Fе) и по 0,2% Мn, Сr, Ti. Имеет s_в =200 МПа. Сплав жаропрочный.

Из него изготавливают головки цилиндров, поршни и другие детали облегченных двигателей внутреннего сгорания, нагревающихся до 275 °C, с хорошими литейными свойствами и повышенной герметичностью.

10. ЛК80-3 – литейная двухфазная кремнистая латунь по ГОСТ17711-93. Содержит 80% меди, 3% кремния (Si-3), остальное цинк (Zn). Имеет s_в = 380 МПа.

Применяется для изготовления крупных коррозионностойких заготовок, судовых винтов.

11. БрАМцЮ-2 – литейная алюминиево-марганцевая бронза по ГОСТ493-79. Содержит 10% алюминия (А-10) и 2% марганца (Мц-2), остальное медь. Имеет s_в = 500Mпа.

Применяется для изготовления фасонных литых деталей методом литья в кокиль и в песчаные формы.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рисунок 1 — Диаграмма состояния «железо-углерод» и кривая охлаждения сплава при его медленном охлаждении

Рисунок 2 — Диаграмма определения температуры при отжиге, нормализации и закалке стали

Рисунок 3

Таблица 8 — Улучшаемые стали

№ группы	Марка стали	Условия нагружения	Прокали­вае­мость, мм	Перечень изделий	МПа, sв	МПа, sт	d, %	КС, МДж/м	HB
	30, 40, 45, 50	Детали, работающие при малых нагрузках	8...12	Гладкие, ступенчатые валы, фланцы, штифты, цапфы, валы карданные	после окончательной термообработки
700...800	500...700	11...15	1,0...1,35	241...269
	30Х, 40Х 40Г, 40ХН	Средненагруженные детали	20...25	Оси, рычаги, коленчатые валы, шестерни, болты шатуна	850...930	700...780	11...18	0.8...0.85	265...270
	30ХГСА 40ХНМА 30ХН2ВФ 18Х2Н4ВА	Детали, работающие при наибольших удельных нагрузках		Валы, детали рулевого управления, тяжело нагруженные детали редукторов компрессорных машин, высоконапряженные валы ротора турбин, коленчатые валы	1100...1150	850...880	10...15	1.0...1.2

Таблица 9 — Цементируемые стали

№ 1 группы

Марка стали

Условия пагружения

Сечение детали

Прокаливаемость, мм

Перечень деталей

Поверхностный слой

Сердцевина изделия

НРС

sв, МПа о

sт, МПа

d, %

КС, МДж/м

HB

Износ при малых удельных нагрузках

Малое

Менее 10 мм

Кулачки, штамповый инструмент

60...64

Не регламентированы

95...100

15Х, 15Г, 20Х, 20 Г, 15ХФ, 12ХН2

Износ при повышенных удельных нагрузках

Малое и среднее

10...15

Штамповый инструмент, зубчатые колеса, работающие на износ без динамических нагрузок

58...61

750...850

650...700

1,0...1,2

100...160

18ХГМ, 18ХГТ, I2XH3A

Износ при высоких удельных нагрузках

Среднее

15...20 и более

Шестерни

56...61

1200...1300

1000...1100

12...15

0,8...1,0

250...350

18Х2Н4ВА 30ХГТ

Износ при высоких удельных нагрузках

Большое

Более 100

Зубчатые колеса автомобиля

56...61

1300...1600

1100...1400

10...14

0,7...1,0

320...440

Таблица 10 — Рессорно-пружинные стали

Номер группы	Марка стали	Условия работы	Примерное назначение	sв, МПа о	sт, МПа	d, %	ψ, %	HB
после окончательной термообработки
	65, 85, 60Г, 70Г	Стали пониженной прочности	Пружины механизмов и машин	1000... 1150	800...1000	7...10	20...35	360...420
	50 ХГ, 55ХГР, 55С2, 6C2, 50ХФА, 50ХГФА	Стали средней прочности	Рессоры автомашин; пружины подвижного состава железнодорожного транспорта	1300...1600	1100...1400	5...8	20...35	360...480
	7C2ХА, 7CЗА, 6C2ХФА	Стали повышенной прочности	Пружины часовых механизмов и механизмов машин (тяжелонагруженных)	1600...1900	1450...1700	6...8	20...35	380...480

Таблица 11 — Инструментальные стали (режущие)

Марка стали	Условия работы, на режущей кромке	Прокали­ва­емость, мм	HRC после термообработки	Примерный перечень изделий
Нетеплостойкие У8 У10 У12 У13	Динамические нагрузки: t° = 190...200 °C		54...58 62...63 61...65 61...65	Деревообрабатывающий инструмент, зубила, отвертки, фрезы; ручные метчики, напильники для обработки мягких металлов
Нетеплостойкие ИХ ХВСГ 9ХС ХВГ	t° = 200...25- °C t° = 250...260 °C	15...20 40...50	62...65 63...64 62...63 62...64	Ручные напильники, бритвенные ножи, лезвия; граверный и хирургический инструмент; плашки большого сечения, ручные сверла, развертки; плашки для нарезания мягкого материала протяжки диаметром более 100 мм
Теплостойкие (красностойкие) Р18 Р12 Р6М5 Р9	t° = 615...620 °C			Метчики машинные, сверла, резцы, протяжки 80... 100мм, плашки круглые для нарезания твердых металлов; долбяки, шаберы, фрезы резьбовые, развертки
Р6М5К5 Р9М4К8 Р12Ф4К5	t° = 630...640 °C		67...69 65...67	Фрезы для нарезания труднообрабатываемых сплавов; фрезы и сверла, работающие при повышенных нагрузках
Твердые сплавы Вольфрамовые ВК2 ВКЗ	Повышенная скорость резания: t° = 800 °C			Чистое и получистое точение; нарезание резьбы, обработка серого чугуна, цветных металлов, неметаллических материалов, резка стекла
ВК4 ВК6	Высокая износостойкость: t° = 800 °C		89,5 88,5	Черновое точение, черновая и чистовая фрезеровка чугуна, цветных (в том числе титановых) сплавов, жаропрочных материалов
ВК15	Высокая сопротивляемость ударам		86,0	Волочение труб, обработка труднообрабатываемых материалов
Титановольфрамовые Т30К4	Наивысшие износостойкость и скорость резания			Чистое точение при непрерывном режиме

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ для контрольной работы № 1

Прежде чем приступить к выполнению контрольной работы внимательно прочтите Методические указания. Рекомендуемая литература [1,2]

Таблица 1 — Задание к вопросу 1

Вар.	Вопрос
	Дайте краткую характеристику материалам, применяемым в доменном производстве и укажите методы подготовки железных руд к плавке
	Опишите физико-химическую сущность процесса получения чугуна в доменной печи. Перечислите продукты доменной плавки и область применения.
	Объясните принцип работы кислородного конвертора. Укажите достоинства и недостатки этого метода.
	Опишите сущность и ход процесса производства стали в кислородном конверторе, укажите шихтовые материалы и выплавляемые стали.
	Производство стали. Мартеновский способ. Изложите принцип работы мартеновской печи. Опишите сущность производства основным скрап-рудным процессом.
	Производство стали в электропечах. Перечислите преимущества и недостатки по сравнению с мартеновским и конверторными способами.
	Опишите способы разлива стали и получения слитка.
	Опишите способы внепечной обработки стали, повышающие ее качество. Вакуумная дегазация.
	Изложите факторы, влияющие на качество стали. Дайте описание одного из способов улучшения качества стального слитка путем вторичного переплава.
	Опишите способы разливки стали в изложницы. Укажите основные преимущества способа непрерывной разливки стали.
	Дайте краткую характеристику медных руд. Приведите упрощенную схему пираметаллургического способа производства меди и опишите сущность каждого этапа.
	Дайте характеристику алюминиевых руд. Приведите упрощенную схему электролитического способа производства алюминия.
	Опишите устройство и работу электролизера, процессы электролитического и рафинирования алюминия- сырца.
	Дайте характеристику титановых руд. Составьте упрощенную схему магниетермического способа производства титана и опишите сущность каждого этапа.
	Приведите схему установки непрерывной разливки стали и описание процесса.
	Опишите способы разливки стали и получения слитка.
	Опишите способы подготовки руды для плавки чугуна.
	Способы повышения качества стали и сплавов. Опишите раскисление стали, обработка синтетическими шлаками.
	Опишите производство стали в электропечах, преимущества и недостатки по сравнению с мартеновским и конверторным способами.
	Выплавка чугуна. Опишите устройство доменной печи, назначение ее конструкционных элементов.
	Исходные материалы и способы обогащения руд при производстве чугуна.
	Опишите процесс получения стали в электрических печах.
	Опишите производство алюминия из руд.
	Опишите производство титана из руд.
	Опишите производство меди из руд.

Прежде, чем отвечать на второй вопрос, прочитайте пункты 1-14 Общих методических указаний. Рекомендуемая литература [1], [2].

Таблица 2 — Задание к вопросу 2

Вар	Вопрос
	Кристаллическое строение металлов. Опишите кристаллические решетки металлов. Полиморфизм металлов.
	Кристаллическое строение металлов. Реальное строение металлов. Опишите структурные несовершенства кристаллической решетки. Полиморфизм металлов.
	Строение вещества. Аморфные и кристаллические свойства. Анизотропия и изотропия. Полиморфизм металлов.
	Опишите кристаллизацию металлов, температуру кристаллизации, степень переохлаждения.
	Кристаллизация металлов. Опишите построение кривых охлаждения при кристаллизации металлов и сплавов, скорость роста кристаллов.
	Опишите кристаллизацию металлов. Аллотропия железа.
	Опишите методы исследования строения металлов: микро и макро анализ. Рентгеновский анализ.
	Пластическая деформация металлов. Дайте определение упругой и пластической деформации.
	Дайте определение пластической деформации и опишите явление наклепа.
	Кристаллизация металлов. Опишите зависимость скорости роста кристаллов от степени переохлаждения.
	Испытание металлов на растяжение. Постройте диаграмму растяжения. Опишите определение предела прочности.
	Испытание металлов на твердость. Опишите метод определения твердости по Бринеллю.
	Испытание на растяжение. Постройте диаграмму растяжения. Опишите определение предела текучести.
	Испытание металлов на твердость. Опишите метод определения твердости по Роквеллу.
	Испытание металлов на растяжение. Постройте диаграмму растяжения. Опишите определение предела прочности.
	Испытание материалов на твердость. Опишите определение твердости по Виккерсу.
	Опишите испытание материалов на ударную вязкость.
	Испытание материалов на твердость. Опишите метод определения микротвердости.
	Испытание материалов на усталость. Определение предела усталости.
	Испытание материалов на растяжение. Постройте диаграмму растяжения. Опишите определение относительного удлинения.
	Дайте определения основным механическим свойствам.
	Связь между свойствами сплавов и диаграммами их состояния.
	Дайте краткое описание диаграмм состояния сплавов, образующих твердые растворы. Первичная и вторичная кристаллизация. Ликвация по плотности.
	Опишите методы исследования строения металлов; химический состав сплава, микроскопический анализ.
	Начертите диаграмму состояния для случая ограниченной растворимости компонентов в твердом виде. Укажите структурные составляющие во всех областях этой диаграммы.

При ответе на вопрос 3 рекомендуемая литература [1,2].

Таблица 3 — Задание к вопросу 3

Вар	Вопрос
	Основы термообработки стали. Опишите процесс превращения в стали при нагреве.
	Основы термообработки стали. Опишите процесс превращения в стали при охлаждении.
	Основы термообработки стали. Опишите процесс превращения аустенита при непрерывном охлаждении с разными скоростями.
	Основы термообработки стали. Опишите превращения мартенсита при нагреве (отпуск стали).
	Технология термообработки стали. Опишите отжиг стали.
	Технология термообработки стали. Опишите процесс закалки стали.
	Термомеханическая обработка стали. Опишите дефекты закалки стали.
	Раскройте суть поверхностной закалки стали.
	Химико-термическая обработка стали. Опишите цементацию стали.
	Химико-термическая обработка стали. Опишите азотирование стали.
	Химико-термическая обработка стали. Опишите диффузионное насыщение металлами.
	Химико-термическая обработка стали. Опишите цианирование и нитроцементацию.
	Опишите виды термообработки чугуна.
	Технический титан и его сплавы. Опишите маркировку, свойства, применение.
	Алюминиевые сплавы. Опишите их маркировка, свойства, применение.
	Медные сплавы. Опишите их маркировка, свойства, применение.
	Конструкционные углеродистые и легированные стали общего назначения. Опишите их маркировка, состав, применение.
	Инструментальные стали и твердые сплавы для режущего инструмента. Опишите состав, маркировку, применение.
	Инструментальные стали и твердые сплавы для измерительного инструмента, штамповые стали и сплавы. Опишите состав, маркировку, назначение.
	Антифрикционные материалы. Магнитные стали и сплавы. Опишите состав, маркировку, применение.
	Жаростойкость и жаропрочность. Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы. Опишите состав, маркировку, применение.
	Опишите коррозию сталей. Опишите коррозионно-стойкие нержавеющие стали. Легирующие элементы и маркировка стали.
	Опишите виды чугуна, их состав, маркировка, применение.
	Опишите способы нагрева и охлаждения при закалке.
	Дайте определения понятиям компоненты, фазы и структурным составляющим железоуглеродистых сплавов.

ВОПРОС 4

Начертите диаграмму состояния сплавов железа с углеродом. Покажите на ней структуры по всем зонам и характерные линии. Справа от диаграммы постойте схематичную кривую медленного охлаждения от 1600 до 600 °C сплава с заданным содержанием углерода.

Опишите превращения, происходящие в заданном сплаве и охарактеризуйте скорость его охлаждения на каждом участке кривой. Дайте определение всем образующимся по ходу охлаждения структурам.

Составы заданных сплавов указаны в таблице 4, согласно вашему варианту.

Таблица 4 — Задание к вопросу 4

№ варианта 1	Содержание углерода в %	№ варианта	Содержание углерода в %
	0,5		2,8
	0,8		3,8
	1,2		4,3
	1,7		2,2
	2,5		4,8
	1,7		3,7
	3,0		0,7
	3,5		0,4
	4,3		4,8
	5,5		2,3
	6,5		1,7
	2,3		0,5
	0,4

ВОПРОС 5

Прежде, чем ответить на этот вопрос, прочитайте пункт 3 Методических указаний к выполнению первой контрольной работы.

Расшифруйте марки и укажите назначение конструкционных материалов, приведенных в таблице 5, согласно Вашему варианту задания.

Таблица 5 — Задание к вопросу 5