Задачи по материаловедению (методические рекомендации)

Областное бюджетное профессиональное

образовательное учреждение

«Курский электромеханический техникум»

ЗАДАЧИ ПО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЮ

Борзенкова Л.Н.

Курск 2012

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ

Задачи по чтению и разбору наиболее характерных микроструктур сплавов и установлению качественной зависимости между структурой, составом и свойствами сплавов даны для наиболее широко применяемых в промышленности углеродистых и легированных сталей и чугунов, медных и алюминиевых сплавов.

Для их решения рекомендуется использовать учебники, справочники, атласы и альбомы, содержащие фотографии и рисунки микроструктур металлов и сплавов.

Решение задач предусматривает обоснованный выбор сплава и его обработки, при использовании которых в наибольшей степени обеспечиваются надежность и стойкость деталей в условиях эксплуатации, указанных в каждой отдельной задаче. В задачах, как правило, приведены наиболее типичные условия использования изделий, имеющие место в разных отраслях промышленности. Кроме того, в задачах сформулированы характерные свойства, которые должен иметь сплав в соответствующем изделии.

Для решения задачи надо, прежде всего, определить группу сплавов, обладающих свойствами, близкими к заданным в условиях задачи. Затем для окончательного определения наиболее пригодного сплава из числа приведенных в выбранной группе и рекомендации режима его обработки необходимо в качестве общего правила рассмотреть возможность использования наиболее дешевого материала, например для деталей машин - углеродистой стали обыкновенного качества или серого чугуна.

Свойства основных материалов следует искать в справочной литературе и учебниках, которые приведены в конце пособия.

Если при рассмотрении свойств намечаемых сплавов окажется, что они не удовлетворяют требованиям задачи, например, по прочности или твердости, то следует рассмотреть возможность их улучшения выбором термической или химико-термической обработки. Дорогие легированные стали, содержащие никель, вольфрам, молибден или цветные сплавы, следует рекомендовать в тех случаях, когда выбор более дешевых материалов не может обеспечить требований, указанных в задаче. Сделанный выбор сплава надо обосновать.

Если для улучшения свойств выбранного материала нужны термическая или химико-термическая обработки, то необходимо указать их режимы, получаемую структуру и свойства.

При решении задач следует помнить, что в материаловедении, особенно при выборе металлического сплава и его обработки, возможно несколько различных решений одной и той же технической задачи.

1 ЗАДАЧИ ПО РАЗБОРУ МИКРОСТРУКТУР СТАЛЕЙ, ЧУГУНОВ И ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ

1.1. На рисунке 1.1 показана микроструктура фасонной стальной отливки (0,3% С): а) после литья; б) после термической обработки. Указать, какая структура характеризует сталь непосредственно в литом состоянии, и описать приведенные структуры. Объяснить, для какой цели была проведена термическая обработка отливки, в чем она заключалась и в каком направлении она изменила механические свойства.

а б

а) после литья; б) после термической обработки

Рисунок 1.1 - Микроструктура углеродистой стали (0,3%С)

в фасонной стальной отливке (200)

1.2. На рисунке 1.2 приведены микроструктуры углеродистой стали (0,3% С) после ковки с замедленным охлаждением. Микроанализ показывает, что ковку одной из стали проводили с нарушением нормального температурного режима. Дать характеристику структуре стали каждой из поковок, указав:

• для какой стали был проведен неправильный режим ковки;

• в чем заключается дефект структуры и его влияние на свойства стали, причины, вызывающие этот дефект, и способы его устранения.

а б

Рисунок 1.2 - Микроструктура углеродистой стали после ковки (200)

1.3. На рисунке 1.3 показаны микроструктуры низкоуглеродистой стали (0,15% С) после холодной деформации и последующего нагрева до температуры рекристаллизации. Указать химический состав и дать характеристику изменений структуры стали в результате холодной деформации и последующего нагрева. Указать, как изменяются при этом механические свойства.

а б

Нагрев: а) 250C; б) 650C

Рисунок 1.3 - Микроструктуры стали после холодной деформации и после рекристаллизации (200)

1.4. На рисунке 1.4 показана микроструктура отожженной углеродистой стали. Описать структуру, определить по структуре содержание углерода и по диаграмме Fe - Fe ₃С - температуры критических точек этой стали. Указать, кроме того, можно ли подвергнуть термической обработке сталь этого состава для повышения ее механических свойств. Привести примерные области применения данной стали.

Рисунок 1.4 - Микроструктура углеродистой стали (340)

1.5. На рисунке 1.5 показана микроструктура углеродистой стали после отжига. Описать структуру, определить содержание углерода и привести режим обработки стали, обеспечивающий получение мартенсита в поверхностном слое при сохранении в сердцевине большой вязкости

Рисунок 1.5 - Микроструктура углеродистой стали (250)

1.6. При проверке поступивших на завод поковок из углеродистой отожженной стали в лаборатории обнаружен дефект в поверхностном слое, показанный на рисунке 1.6. Указать структуру стали и содержание углерода в поверхностном и нижележащих слоях, дать характеристику дефекту стали, объяснив причины, которые могли его вызвать. Как изменились бы механические свойства стали, если бы подобный дефект сохранился в поверхностном слое готового изделия?

Рисунок 1.6 - Микроструктура углеродистой стали (200)

1.7. Метчики, изготовленные из углеродистой стали с содержаниём 1,1% С, ломались в работе значительно раньше срока нормального срока эксплуатации. Микроанализ (рисунок 1.7) позволил установить причину брака. Объяснить дефекты структуры этой стали и указать, можно ли исправить структуру стали в партии метчиков, поступивших для термической обработки, и каким способом.

Рисунок 1.7 - Микроструктура углеродистой стали (200)

1.8. На рисунках 1.8а и 1.8б показаны микроструктуры отожженной углеродистой стали. Описать структуры и указать примерное содержание углерода в каждой стали. Привести режим обработки, обеспечивающей получение структуры мартенсита в поверхностном слое каждой стали, при сохранении в сердцевине исходной структуры, а, следовательно, и большей вязкости. Указать область применения этих сталей в промышленности.

а б

Рисунок 1.8 - Микроструктуры углеродистой отожженной стали с различным содержанием углерода (300)

1.9. На рисунках1.9а и 1.9б показаны микроструктуры закаленной стали, содержащей 0,4% С после правильной закалки и после закалки, выполненной с нарушением режима. Описать приведенные микроструктуры и объяснить, какая из них правильно, охарактеризует структуру закаленной стали. Рекомендовать температуру закалки стали, содержащей 0,4% С, и указать, в чем заключалось нарушение этого режима, и как это может влиять на свойства стали после окончательной термической обработки.

а б

Рисунок 1.9 - Микроструктуры углеродистой стали после закалки (400)

1.10. На рисунках1.10а и 1.10б показаны микроструктуры стали, содержащёй 0,45% С в образцах диаметром 10мм после закалки с нагревом до 750С и до 825С и с охлаждением в воде. Описать структуры, указать различие в структуре и твердости. Рекомендовать температуру закалки стали, содержащей 0,45% С, для получения при последующем отпуске (указать его температуру) структуры сорбита.

а б

а) 750C; б) 825C

Рисунок 1.10 - Микроструктуры углеродистой стали (0,45%С) после закалки с различных температур (300)

1.11. На рисунке 1.11 показаны микроструктуры и твердость углеродистой стали (0,45% С) после различной термической обработки. Описать эти структуры и объяснить, какой термической обработке необходимо подвергнуть сталь для получения приведенных структур

а б

а) 160…170НВ; б) 240…260НВ

Рисунок 1.11 - Микроструктуры углеродистой стали (100)

1.12. Углеродистая сталь в зависимости от условий охлаждения при закалке получает различную структуру и твердость. На рисунке 1.12а показана микроструктуры стали эвтектоидного состава после охлаждения в воде, а на рисунке 1.12б - после охлаждения в масле. Описать эти структуры, указать твердость и объяснить, почему при охлаждении в масле и в воде сталь получила разную структуру.

а б

а) в воде; б) в масле

Рисунок 1.12 - Микроструктуры закаленной углеродистой стали (0,8%С) в зависимости от скорости охлаждения (1000)

1.13. На рисунке 1.13 показаны микроструктуры углеродистой стали после улучшающей обработки (закалка и отпуск) образца диаметром 40мм. На рисунке 1.13а приведена микроструктура поверхностного слоя, а на рисунке 1.13б - сердцевины. Описать эти структуры, указать содержание углерода в стали, а также режим улучшающей термической обработки и объяснить, почему сталь получила различную структуру и твердость по сечению образца и связан ли этот результат с особенностями термической обработки или со свойствами углеродистой стали.

а б

а) поверхностный слой 35HRC; б) сердцевина 180HB

Рисунок 1.13 - Микроструктуры углеродистой стали (0,45% С) в образце диаметром 40мм после закалки и отпуска (400)

1.14. На рисунках1.14а и 1.14б показаны микроструктуры чугунов, широко применяемых в машиностроении. Описать структуры, а также способы производства и обработки приведенных чугунов. Указать различие в механических свойствах и область применения каждого из этих чугунов.

Рисунок 1.14 - Микроструктуры чугунов, применяемых

для изготовления деталей машин (200)

1.15. На рисунке 1.15 совмещены микроструктуры двух чугунов. Объясните эти структуры, опишите способы получения чугунов, различие в механических свойствах, маркировке и области применения каждого из этих чугунов.

Рисунок 1.15 - Микроструктуры чугунов (340)

1.16. На рисунке 1.16 совмещены микроструктуры чугунов двух различных классов. Объясните структуры, укажите различия в структурах и свойствах, а также в способах производства этих чугунов.

Рисунок 1.16 - Микроструктуры чугунов (340)

1.17. На рисунке 1.17 показаны микроструктуры чугунов двух различных классов. Описать структуры, указать различие в структуре и свойствах, а также в способах производства этих чугунов.

а б

Рисунок 1.17 - Микроструктуры чугунов, применяемых

для изготовления деталей машин (200)

1.18. Для изготовления деталей способом глубокой вытяжки на заводе получена партия нержавеющей стали, содержащей 0,1%С, 18% Cr и 8%Ni. Однако в состоянии поставки сталь обладала пониженной пластичностью и поэтому не могла быть использована. Микроанализ показал, что сталь этой плавки имела структуру, показанную на рисунке 1.18а. После термической обработки сталь обладала высокой пластичностью. Ее структура показана на рисунке 1.18б. Описать структуры, показанные на рисунке 1.18, указать условия их получения и примерные механические свойства нержавеющей стали, соответствующие каждой из этих структур.

а б

а) (100); б) (600)

Рисунок 1.18 - Микроструктуры нержавеющей стали (0,1% С, 18% Cr, 8% Ni,):

1.19. На рисунке 1.19 показаны микроструктуры быстрорежущей стали (0,75% С, 18% W, 4% Cr и 1 % V), соответствующая разным стадиям ее производства и обработки на металлургическом заводе. Описать приведенные структуры стали и объяснить, в чем заключалось влияние ковки. Указать, в каком состоянии сталь имеет большие прочность и вязкость.

а б

а) после литья; б) после ковки и отжига

Рисунок 1.19 - Микроструктуры быстрорежущей стали (0,75% С, 18% W, 4% Cr, 1% V) (500)

1.20. На рисунке 1.20 показаны микроструктуры быстрорежущей стали Р12 (0,9% С, 12% W, 4% Cr и 1,7% V) после закалки и после отпуска. Характеризовать структуру стали в этих состояниях и указать, в каком из них быстрорежущая сталь может иметь более высокую твердость.

а б

а) после закалки; б) после отпуска 560C, 3 раза

Рисунок 1.20 - Микроструктуры быстрорежущей стали Р12 (500)

1.21. На рисунке 1.21 показана микроструктура углеродистой стали после химико-термической обработки. Определить вид обработки, указать структуры стали и содержание углерода в поверхностном (расположен слева) и нижележащих слоях, учитывая, что поверхность стали на рисунке располагается слева. Рекомендовать температуру закалки и отпуска стали, обеспечивающие высокую твердость и износостойкость поверхности детали, изготовленной из этой стали.

Рисунок 1.21 - Микроструктура углеродистой стали

после химико-термической обработки (340)

1.22. Для повышения механических свойств литых алюминиевых сплавов (силуминов), применяемых в виде отливок, проводят специальную обработку жидкого металла. На рисунке 1.22 показана микроструктура силумина, содержащего 12% Si, выплавлявшегося без обработки (рисунок 1.22а) и с обработкой (рисунок 1.22б). Описать различие в структуре и способе обработки жидкого металла и объяснить, как изменяются при этом свойства силумина.

а б

а) после литья без применения специальных добавок в жидкий металл;

б) после литья с применением специальных добавок

Рисунок 1.22 - Силумин (200)

1.23. На рисунках 1.23а и 1.23б показаны микроструктуры алюминиевых сплавов на основе системы алюминий - медь. Указать, какой из сплавов является деформируемым (и подвергался обработке давлением) и какой литейным. Описать структуру и примерные составы сплавов обоих типов и области применения их в технике.

а б

Рисунок 1.23 - Микроструктуры алюминиевых сплавов (200)

1.24. В качестве материала для заливки вкладышей ответственных подшипников скольжения выбран сплав Б83, микроструктура которого показана на рисунке 1.24. Объясните состав и структуру сплава, его назначение, перечислите требования, предъявляемые к таким сплавам.

Рисунок 1.24 - Микроструктура баббита Б83 (200)