Примеры решения задач по материаловедению

Прежде чем изучать примеры решения задач, нужно знать теорию, поэтому для вас я подготовила краткий курс теории вместе с примерами решения.

Эта страница подготовлена для студентов любых специальностей и охватывает полностью предмет «материаловедение».

Если что-то непонятно вы всегда можете написать мне в воцап и я вам помогу!

Введение:

Материаловедение относится к числу основополагающих учебных дисциплин для специальностей машиностроительного профиля. Это связано, прежде всего, с тем, что получение, разработка новых материалов, способы их обработки являются основой современного производства.

Проектирование рациональных и конкурентоспособных изделий, организация их производства невозможны без достаточного уровня знаний в области материаловедения, которые являются важнейшим показателем образованности современного дипломированного специалиста. Кроме того, материаловедение служит базой для изучения многих специальных дисциплин.

Материаловедение — это наука, изучающая связь между составом, строением и свойствами материалов, а также их изменения при различных внешних воздействиях (тепловом, механическом, химическом и т.д.). Основная практическая задача материаловедения — изыскание оптимального состава и способа обработки материалов для придания им заданных свойств.

При чтении лекций и при выполнении задач и домашнего задания предусматривается использование этой статьи.

Изучив дисциплину «Материаловедение», студент должен знать:

  • основные свойства материалов, обеспечивающие качество технологических процессов и изделий машиностроения, в том числе свойства специальных сплавов (коррозионно-стойких, жаростойких и жаропрочных сплавов, а также инструментальных материалов);
  • основные типы кристаллических решеток и их дефектов, структуру сплавов, общие закономерности диаграмм фазового равновесия и диаграмму «Железо — цементит»;
  • классификацию металлов, сплавов и неметаллических материалов.

Студент должен владеть:

  • методами определения оптимальных и рациональных режимов термообработки, упрочнения материалов;
  • методами анализа причин возникновения дефектов в материалах;
  • методами проведения стандартных испытаний по определению показателей физико-химических свойств используемых материалов и готовых изделий;
  • методами определения качества и состояния сплавов на основании анализа их структуры.

Возможно эта страница вам будет полезна:

Предмет материаловедение

Примеры решения задач на «анализ двойных диаграмм»

К оглавлению…

К выполнению домашнего задания предъявляются следующие требования:

  • домашнее задание выполняется на формате А4 в печатном виде;
  • титульный лист;
  • на первой странице указываются номер задания и через тире буквенный индекс варианта, помещается текст содержания задания с указанием названия диаграммы, химического состава заданного сплава и температуры;
  • на второй странице слева вычерчивается в масштабе диаграмма так, чтобы справа было место для изображения кривой охлаждения. Для построения кривой охлаждения заданного в варианте сплава необходимо на оси концентраций найти точку, соответствующую составу сплава. Из этой точки восстановить ординату заданного сплава так, чтобы она охватывала диапазон температур от оси концентраций до области жидкого состояния. Ордината сплава должна отчетливо выделяться на диаграмме. Точки пересечения ординаты с линиями диаграммы являются критическими точками заданного сплава (температурами начала или окончания фазовых превращений). Правее диаграммы необходимо вычертить оси «Температура -Время» для построения кривой охлаждения. На ось ординат следует также нанести критические точки заданного сплава в градусах Цельсия;
  • на последующих страницах необходимо произвести общее описание заданной диаграммы, описание процесса кристаллизации, указанного в варианте сплава, и определить состав и количество фаз на 1 килограмм сплава.

Возможно эта страница вам будет полезна:

Задачи по материаловедению

Цели и задачи изучения диаграмм состояния

К оглавлению…

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение зависимости температур фазовых превращений в сплавах от их состава.

Цель изучения диаграмм состояния сплавов:

  • научиться по диаграмме состояния устанавливать, какие процессы происходят в сплавах при их охлаждении, какие при этом образуются фазы и структуры сплавов разного состава;
  • научиться анализировать процессы фазовых превращений в зависимости от изменения температуры сплава;
  • выявлять взаимосвязь механических и технологических свойств сплавов от соответствующего фазового и структурного состояния.

По диаграммам состояния можно устанавливать не только температуры фазовых превращений в сплавах любого состава, но и качество и количество фаз в разных областях диаграммы состояния.

Однако этим не исчерпывается практическая значимость диаграмм состояния сплавов. В частности, разбирая процессы, происходящие при охлаждении сплава, по диаграмме состояния можно выявить, в какой форме проявляются образующиеся фазы при охлаждении сплава.

Фазой называется однородная часть системы, образованная компонентами сплава, которая во всех своих точках имеет одинаковые составы, строение и свойства. Жидкая фаза представляет собой раствор расплавленных компонентов.

Твердые фазы являются зернами, имеющими определенную форму, размер, состав, структуру и свойства. Это могут быть твердые растворы, химические соединения, зерна чистых компонентов, не образующих с другими компонентами ни твёрдых растворов, ни химических соединений.

Форма проявления фаз называется структурой сплава. Возможность по диаграмме состояния прогнозировать структуру, образующуюся из сплавов разного состава, имеет очень большое практическое значение, так как в двухфазных сплавах не фазы, а именно структуры сплавов определяют их механические свойства. Так, например, стали и белые чугуны состоят из одних и тех же фаз, но свойства этих сплавов сильно различаются именно потому, что структуры этих сплавов разные.

Имеются тысячи разработанных диаграмм состояния сплавов. Все их выучить механически невозможно. Поэтому специалист должен уметь мысленно представить те процессы, которые происходят в сплавах и образуют их структуру и свойства, чтобы оптимально воздействовать на технологический процесс.

Для этого необходимо:

  1. ясное понимание особенностей строения основных фаз в сплавах, которыми являются твердые растворы, химические соединения, чистые компоненты;
  2. знание, как эти фазы обозначаются;
  3. знание признаков этих фаз;
  4. умение по диаграмме состояния определить состав и количество фаз;
  5. умение логически мыслить.

Для выработки навыка разбора процессов, происходящих при охлаждении конкретного сплава, необходимо обязательно выполнение следующих действий: строить кривую охлаждения разбираемого сплава; против участков кривой охлаждения схематично изображать состояние фаз (структуру) сплава; письменно объяснять процесс, происходящий в сплаве при рассматриваемых температурных условиях.

Правило фаз

К оглавлению…

При рассмотрении процессов превращения в диаграммах равновесного состояния сплавов широко применяется так называемое «правило фаз», дающее возможность проверить правильность построения диаграмм и теоретически обосновать направление протекания процессов превращения для установления равновесного состояния системы, которое определяется следующими переменными факторами: температурой, давлением и составом фаз системы (концентрацией).

Число переменных величин (концентрация фаз, температура, давление), которые могут изменяться независимо друг от друга, называется числом степеней свободы или вариантностью системы.

Число степеней свободы зависит от количества компонентов, числа фаз в системе и переменных внешних условий — температуры и давления. Так как давление в практических условиях изменяется в небольших пределах, не оказывая существенного влияния на процессы превращения, то основным переменным фактором является только температура и тогда уравнение «правила фаз» имеет вид

где — число степеней свободы (вариантность системы), — число компонентов в системе, — количество фаз, находящихся в равновесии при рассматриваемых условиях.

Если число степеней свободы системы равно нулю (), то такое равновесие называют нонвариантным (безвариантным). Это означает, что сплав с данным числом фаз может существовать только при определенных условиях: при постоянной температуре и определенной концентрации всех находящихся в равновесии фаз. Если , то такая система называется моновариантной (одновариантной), т. е. чтобы не нарушилось равновесное состояние фаз, можно изменить либо концентрацию фаз, либо температуру. Когда , система бивариантна (двухвариантна). Наличие одной или двух степеней свободы позволяет изменять одну или две переменных без изменения числа фаз.

Правило отрезков

К оглавлению…

При анализе строения и свойств сплавов рассматривается состав фаз и их количественное соотношение. Для определения количества фаз и их концентрации в любой точке двухфазной области диаграммы состояния сплавов служит «правило отрезков (рычага)».

На рис. 2.1 приведена диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии. При температуре сплав состоит из -твёрдого раствора и жидкой фазы. Для определения массового или объемного соотношения фаз и их состава для сплава при температуре проводим через данный температурный уровень горизонтальную линию (коноду) до пересечения с ближайшими линиями диаграммы и , ограничивающими двухфазную область. Проекции точек пересечения спроектированные на ось концентрации показывают состав (концентрацию) фаз: жидкая содержит , твердая — .

Отрезки, лежащие на температурной горизонтали (коноде) между точками концентрации фаз и средней точкой, соответствующей концентрации исходного сплава обратно пропорциональны количеству этих фаз:

Иными словами, количество фазы, например жидкости, характеризуется величиной противолежащего отрезка , а количество кристаллов -твёрдого раствора — величиной противолежащего отрезка

С помощью правила отрезков можно определить не только фазовый состав сплава, но и количественное соотношение структурных составляющих, например избыточных кристаллов и эвтектики.

Для определения количественного соотношения фаз:

Для определения веса фаз на 1 килограмм сплава:

Возможно эта страница вам будет полезна:

Решение задач по материаловедению

Общий обзор диаграмм состояния

К оглавлению…

Как известно, вид диаграммы состояния зависит от характера взаимодействия компонентов в жидком и твердом состояниях, возможности образования устойчивых и неустойчивых химических соединений, протекания тех или иных нонвариантных превращений. Различные варианты простейших (или типовых) диаграмм состояний как диаграмм равновесия систем безымянных компонентов и приведены ниже.

Диаграмма состояния для сплавов, образующих смеси из чистых компонентов.

Общий вид диаграммы для случая, когда оба компонента сплава в жидком состоянии неограниченно растворимы, а в твердом — не растворяются, не образуют химических соединений и не имеют полиморфных превращений, представлен на рис. 2.2а. Фазы: жидкость — , чистые компоненты и . Линия — линия ликвидус; линия — линия солидус. На линии АС начинают выделяться кристаллы ; на линии — кристаллы ; на линии из жидкости концентрации С одновременно выделяются кристаллы и . Эвтектическая смесь двух видов кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкости, называется эвтектикой.

Диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии.

На рис. 2.26 приведена диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью компонентов друг в друге в жидком и твердом состоянии, имеющих одинаковые типы решеток, небольшую разницу атомных радиусов (до ) и сходное строение наружных электронных оболочек, т. е. близость химической природы металлов.

Линия — линия ликвидус; линия — линия солидус; фаза а представляет собой неограниченный твёрдый раствор замещения компонентов и , зерна этой фазы имеют единую кристаллическую решетку, но у сплавов разного состава число атомов компонентов и в элементарных ячейках решетки различно.

Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии, с эвтектикой.

На рис. 2.2в приведена диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью компонентов друг в друге в твердом состоянии, с эвтектическим превращением. Ограниченные твердые растворы на основе компонентов и образуются, когда последние заметно отличаются строением и размером атомов, кристаллической структурой и физико-механическими свойствами. Ограниченные твердые растворы могут образовываться по типу замещения и внедрения.

Линия — линия ликвидус; линия — линия солидус; фаза а является твердым раствором компонента в кристаллической решетке компонента ; фаза представляет собой твёрдый раствор компонента в кристаллической решетке компонента . Кривые и — линии ограниченной растворимости в твердом состоянии (сольвус), отражающие характер изменения растворимости компонентов друг в друге в зависимости от температуры. Растворимость компонента в компоненте уменьшается с понижением температуры (линия ). Растворимость компонента в компоненте не зависит от температуры (линия ).

— линия эвтектического превращения . Смесь получившихся в результате данной реакции ограниченных твёрдых растворов и называется эвтектической (эвтектикой). Сплавы, расположенные между точкой максимальной растворимости и эвтектической точкой , называют доэвтектическими, а сплавы, расположенные между и , — заэвтектическими.

Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии, с перитектикой.

На рис. 2.2г показана диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состояния с перитектическим превращением. Диаграммы такого типа образуют металлы с небольшой разницей в строении атомов и их размеров, но заметно отличающиеся друг от друга температурами плавления.

Линия — линия ликвидус; линия — линия солидус; линия — линия перитектического превращения, которое заключается в том, что жидкость реагирует с ранее выпавшими кристаллами и образует новый вид кристаллов . Структура двухфазного сплава представляет собой смесь, в которой фаза, выделившаяся ранее (-фаза), окружена фазой, выделившейся позднее (-фаза).

Диаграмма состояния для сплавов, образующих химические соединения

К оглавлению…

Такая диаграмма получается (рис. 2.2д), когда сплавляемые компоненты образуют устойчивое химическое соединение , не диссоциирующее при нагреве вплоть до температуры плавления и образующее промежуточную фазу постоянного состава. Химическое соединение считается устойчивым, если оно плавится без разложения.

При концентрации, соответствующей химическому соединению , отмечается характерный перелом на кривой свойств. Это объясняется тем, что некоторые свойства химических соединений обычно резко отличаются от свойств образующих их компонентов. Обычно такие диаграммы состояния характерны для систем, образованных металлами и элементами, которые обладают и металлическими, и неметаллическими свойствами.

В ряде диаграмм состояния сплавов, образующих химические соединения (рис. 2.2е), могут возникать промежуточные фазы переменного состава (-фаза), имеющие сравнительно широкие области существования. Эти фазы представляют собой твердые растворы замещения или внедрения в кристаллической решетке химического соединения. Для этих фаз обычно характерны свои кристаллические решетки, отличные от кристаллических решеток компонентов.

Помимо устойчивых химических соединений, которые плавятся (кристаллизуются) при постоянной температуре, в диаграммах могут образовываться и неустойчивые химические соединения, распад которых происходит, не доходя до температуры плавления.

Диаграмма состояния для сплавов с полиморфным превращением одного из компонентов. Полиморфизм (греч.) — многоформие, способность веществ иметь различную кристаллическую структуру в зависимости от внешних условий — температуры и давления.

При полиморфическом превращении изменяется не только форма элементарной ячейки, но и характер и свойства кристаллов.

Полиморфизмом обладают многие металлы ( и др.), неметаллы ( и др.) и промежуточные фазы ( и др.). Разные полиморфные модификации обозначаются буквами греческого алфавита — , , и т. д. На диаграмме состояния каждая полиморфная модификация имеет свою область существования и образующиеся твердые растворы на их основе отделены друг от друга двухфазными областями.

В табл. 2.1 приведены типы элементарной кристаллической решетки и температурные инервалы их существования для некоторых металлов и неметаллов.

Простейшая диаграмма состояния системы с рядом у-твёрдых растворов между высокотемпературной модификацией компонента и компонентом показана на рис. 2.2ж. Линии и — линии начала и конца полиморфного превращения . В сплавах участка подобное превращение до конца не доходит и при комнатной температуре они сохраняют двухфазную структуру Сплавы, лежащие правее точки , полиморфного превращения не испытывают и при всех температурах ниже солидуса имеют структуру -раствора.

Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями компонентов и эвтектоидным превращением

К оглавлению…

Диаграмма состояния сплавов, у которых высокотемпературные модификации компонентов обладают полной взаимной растворимостью, а низкотемпературные — ограничены, приведена на рис. 2.2з.

По аналогии с линией эвтектического превращения и эвтектической точкой на рис. 2.2в линию называют линией эвтектоидного превращения, a — эвтектоидной точкой. Смесь кристаллов ограниченных растворов (на основе низкотемпературной модификации полиморфного компонента ) и (на основе низкотемпературной модификации полиморфного компонента ), которая образуется в твердом состоянии по реакции получила название эвтектоида.

Сплавы, расположенные левее эвтектоидной точки , называют доэв-тектоидными, а сплавы, расположенные правее , — заэвтектоидными.

Возможно эта страница вам будет полезна:

Методические указания по материаловедению

Описание диаграммы состояния

К оглавлению…

Диаграммы состояния систем конкретных компонентов (например, «Железо — углерод», «Медь — алюминий» и др.) редко являются простейшими (типовыми) диаграммами. Они, как правило, являются сложными (комбинированными) диаграммами, в строении которых нужно уметь выделить простейшие (типовые) части их.

На рис. 2.3 приведена сводная таблица так называемых геометрических образов различных превращений, т.е. показано расположение линий диаграмм, характерное для различных случаев взаимодействия компонентов и фаз.

В этом подразделе задания студент, изучив простейшие (типовые) диаграммы состояния (рис. 2.2) и ориентируясь по сводной таблице геометрических образов (рис. 2.3), должен дать общий анализ заданной диаграммы состояния, т. е. ответить на следующие вопросы:

  • Растворяются ли компоненты в жидком состоянии и как (ограниченно или неограниченно)?
  • Растворяются компоненты в твердом состоянии, образуя ограниченные или неограниченные твердые растворы, или не растворяются, образуя смеси чистых компонентов, химических соединений и т.п.? Если образуются твердые растворы, то нужно их перечислить.
  • Образуют ли компоненты устойчивые или неустойчивые химические соединения? Если образуют, то нужно перечислить их формулы и химические составы.
  • Перечислить все нонвариантные превращения, протекающие в заданной системе (эвтектические, эвтектоидные, перитектические, перитек-тоидные и др.), дать при этом словесное описание сути этих превращений, написать их уравнения, указать температуру и химические составы участвующих фаз.

Возможно эта страница вам будет полезна:

 Учебник по материаловедению

Построение кривой охлаждения заданного сплава и описание процесса кристаллизации

К оглавлению…

Сначала необходимо указать, до какой температуры сплав охлаждается, находясь в жидком состоянии (точка ликвидус), и на графике в координатах «Температура — Время» от любой точки, расположенной на оси ординат выше точки ликвидус, провести до нее круто падающую кривую. Это будет первый участок кривой охлаждения.

Затем для каждого температурного интервала, образованного критическими точками, а также для интервала под нижней критической точкой:

  • описать процесс кристаллизации, который начинается при достижении сплавом данной критической точки;
  • пользуясь правилом фаз, установить, идёт ли описываемый процесс в интервале температур или при постоянной температуре;
  • на кривой охлаждения изобразить новый ее участок в рассматриваемом интервале температур, идущий под другим углом, нежели предыдущий, если процесс идёт при изменении температуры, или изобразить горизонтальную площадку, если процесс идёт при постоянной температуре;
  • написать уравнение рассматриваемого процесса;
  • описать структуру, которая сформировалась в сплаве к моменту окончания рассматриваемого процесса.

После рассмотрения последнего температурного интервала (под нижней критической точкой) ответ на этот пункт задания следует завершить описанием структуры сплава, сформировавшейся к моменту окончания последнего превращения.

Для правильного описания процесса кристаллизации заданного сплава надо, опираясь на знание типовых диаграмм и ориентируясь по таблице геометрических образов (рис. 2.3), правильно установить, каким фазовым превращениям соответствуют линии диаграммы, пересекаемые ординатой заданного сплава.

Применяя «правило фаз» (2.1) определить можно ли менять внешний фактор, не нарушая равновесие фаз. При — нонвариантная система и, следовательно, чтобы сохранить равновесие фаз, охлаждать сплав нельзя, процесс идёт при постоянной температуре (на кривой охлаждения — горизонтальная площадка) и при строго определенных (единственных) концентрациях фаз, участвующих в этом процессе.

Если число степеней свободы (моновариантная система) или (бива-риантная система), то процесс идёт в интервале температур и на кривой охлаждения началу данного процесса соответствует точка перегиба (изменение наклона кривой).

Первичной кристаллизации (образования твёрдых фаз из жидкого состояния) соответствуют три типовые кривые охлаждения (рис. 2.4, 2.5,2.6).

Точки 1 соответствуют началу кристаллизации. Выше этих точек сплавы охлаждаются по физическим законам (без тепловых эффектов). Площадки обусловлены выделением скрытой теплоты кристаллизации, которая уравновешивает отвод тепла от системы.

Охлаждение в интервалах и также сопровождается выделением теплоты, которой не хватает для сбалансирования отведенного от системы тепла. Поэтому в точках и наблюдается перегиб в сторону замедления охлаждения. Точки 2 соответствуют окончанию процесса первичной кристаллизации.

Дальнейшее охлаждение чистых металлов идёт по физическим законам. Также охлаждаются сплавы, состоящие из компонентов, нераство-ряющихся друг в друге в твердом состоянии. Большинство других сплавов по мере охлаждения претерпевают фазовую перекристаллизация, образуя смеси фаз или вторичные выделения.

Вопрос о возможности вторичных выделений решается легко. Если линии диаграммы, показывающие состав охлаждающихся твёрдых фаз, наклонны (состав их фаз изменяется с падением температуры), то в сплаве образуются вторичные выделения. Надо правильно решить вопрос о том, какие именно вторичные фазы выделяются. Вторичные выделения сопровождаются тепловым эффектом, поэтому на кривой охлаждения температуре начала выделения вторичных кристаллов соответствует перегиб.

Если линии диаграммы, показывающие состав охлаждающихся твёрдых фаз, вертикальны (состав фаз не изменяется с падением температуры), то вторичных выделений в сплаве не происходит.

При определении структуры сплава, сформировавшейся к моменту достижения конца данного температурного интервала, а также окончательной структуры сплава, образовавшейся после последнего превращения, нужно четко отличить структурный состав (структуру) сплава от фазового состава.

  • Фазами, как известно, называют однородные части системы, имеющие одинаковый состав, строение, свойства и отделенные от других частей системы поверхностью раздела.

Под структурными составляющими понимают отдельные, обособленные части сплава, имеющие при рассмотрении под микроскопом однообразное строение с присущими им характерными особенностями.

Структура характеризуется видом, формой, величиной, относительным количеством, распределением составляющих по объему или в плоскости шлифа.

Структурная составляющая может состоять из одной, двух и более фаз. Формирование структуры прослеживается легче всего по превращениям, указанным на кривой охлаждения. Нужно следить за тем, какая (или какие) фаза участвует в фазовом превращении. Могут быть различные варианты.

Например, двухфазный сплав, достигнув критической температуры, испытывает фазовое превращение. При этом фазы, взаимодействуя, расходуются полностью и образуется новая фаза. Возможен и другой путь. Одна фаза превращается в смесь фаз, а другая переходит в область низких температур как структурно свободная составляющая. Приведем пример (рис. 2.7).

В интервале сплав был однофазным. При охлаждении от до из у-твёрдого раствора выделяются вторичные кристаллы компонента . При имеет место эвтектоидное превращение . Вторичные кристаллы в реакции участия не принимают. После завершения реакции они оказались на границе раздела эвтектоидных колоний (рис. 2.8). Таким образом, структура сплава при температуре ниже состоит из вторичных кристаллов компонента и эвтектоида: .

Возможно эта страница вам будет полезна:

Рефераты по материаловедению

Анализ состояния сплава при заданной температуре

К оглавлению…

На ординате, соответствующей заданному (согласно варианту задания) сплаву, нанести точку, отвечающую указанной в таблице температуре. Обозначить ее любой буквой. Написать ответ на первую часть вопроса: из каких фаз состоит сплав при заданной температуре. Название фаз выписать из области диаграммы, в которую попадает горизонтальная линия (конода), соответствующая заданной в варианте температуре.

Для определения количественного соотношения фаз необходимо провести горизонталь (коноду) до пересечения с ближайшими линиями диаграммы. Конечные точки этой горизонтали обозначить какими-либо буквами и спроектировать на ось концентраций для определения состава (содержания компонентов и в процентах).

Для определения веса фаз на 1 килограмм сплава необходимо воспользоваться формулой (2.4). Длины отрезков не следует измерять линейкой. Необходимо воспользоваться осью концентраций, т. к. при нахождении составов фаз были спроектированы конечные точки коноды на эту ось и определены их абсциссы в соответствующем масштабе.

Возможно эта страница вам будет полезна:

Лабораторные по материаловедению

Примеры с решением задач по материаловедению

К оглавлению…

Задания выдаются индивидуально каждому студенту в соответствии с рабочими программами и учебными планами.

Каждый вариант задания состоит из вопросов и задач по основным разделам дисциплины «Материаловедение».

При выполнении домашнего задания студенты должны проявить знание теоретических основ дисциплины, умение выбирать металлические материалы для изготовления различных изделий и назначать им термическую обработку, а также ознакомиться с особенностями состава, строения и областями применения наиболее распространенных неметаллических материалов.

Для выполнения домашнего задания приводится список рекомендуемой литературы.

К выполнению домашнего задания предъявляются следующие требования:

  • домашнее задание выполняется на формате А4 в печатном виде;
  • структура отчета по домашнему заданию: титульный лист; лист с вариантом задания с подписью преподавателя; ответы на вопросы домашнего задания; список используемой литературы.
  • от студента требуются четко сформулированные ответы на поставленные вопросы, поэтому объем домашнего задания может не превышать 6 листов (страниц);
  • диаграмма «Железо — цементит» вычерчивается студентом самостоятельно. Копирование из электронного учебника недопустимо! Диаграмма вычерчивается на листе так, чтобы справа было место для изображения кривой охлаждения заданного сплава. Ордината сплава должна отчетливо выделяться на диаграмме. Правее диаграммы необходимо вычертить оси «Температура -Время» для построения кривой охлаждения. На ось ординат следует также нанести критические точки заданного сплава в градусах Цельсия.

Задача №1

К оглавлению…

Опишите методику измерения механических свойств металла -упругости, текучести, пластичности и прочности. Запишите определения свойствам. Зарисуйте диаграмму растяжения. Выполните расчеты показателей упругости, текучести, прочности, пластичности. Запишите определения.

Предел прочности , предел текучести , относительное удлинение и относительное сужение определяют при испытании на растяжение. Испытания проводят на разрывных машинах с использованием стандартных образцов с площадью поперечного сечения и рабочей (расчетной) длиной .

Чтобы определить прочность металла, работающего на растяжение, изготовляют образец и устанавливают его в зажимы (или захваты) разрывной машины. Для этих целей чаще всего используют машины с гидравлической системой передачи усилия или с винтовой системой.

Растягивающая сила создает напряжение в испытываемом образце и вызывает его удлинение. Когда напряжение превысит прочность образца, он разорвется. В результате проведения испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 1). На оси абсцисс указывается значение деформации, на оси ординат — значение нагрузки, которая прилагается к образцу.

Предел прочности — это максимальная нагрузка, которую выдерживает материал без разрушения, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца

При растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непрерывно уменьшается. Истинное напряжение определяется делением действующей в определенный момент нагрузки на площадь, которую образец имеет в этот момент.

Истинные напряжения в повседневной практике не определяют, а пользуются условными напряжениями, считая, что поперечное сечение образца остается неизменным.

Предел текучести — это нагрузка, при которой происходит пластическая деформация, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца Однако при испытаниях на растяжение у большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет.

Поэтому определяется условный предел текучести — напряжение, которому соответствует пластическая деформация . Выбранное значение достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим.

К характеристикам материала относят также предел упругости (апр), под которым подразумевают напряжение, при котором пластическая деформация достигает заданного значения. Обычно используют значения остаточной деформации . Таким образом, ( — нагрузка, при которой остаточное удлинение составляет ).

Пластичность характеризуется относительным удлинением и относительным сужением :

где — конечная длина образца; и — начальные длина и площадь поперечного сечения образца; — площадь поперечного сечения в месте разрыва.

Для малопластичных материалов испытания на растяжение вызывают затруднения, поскольку незначительные перекосы при установке образца вносят существенную погрешность в определение разрушающей нагрузки. Такие материалы, как правило, подвергают испытанию на изгиб.

Исходные данные к заданию №1

Определим механические свойства материала:

Предел прочности на растяжение:

— максимальная нагрузка, выдерживаемая образцом; — площадь поперечного сечения образца.

Предел текучести

— это нагрузка, при которой происходит пластическая деформация.

Предел упругости:

— нагрузка, при которой остаточное удлинение составляет .

Определим показатели пластичности: относительное удлинение:

где — конечная длина образца, — начальная длина образца

-относительное сужение

— площадь поперечного сечения в месте разрыва, — начальная площадь поперечного сечения образца

Задача №2

К оглавлению…

Опишите технологический процесс выполнения закалки алюминиевых сплавов (AЛ28) Запишите цель процесса, технологию выполнения.

Закалка алюминиевых сплавов заключается в нагреве их до температуры, при которой легирующие компоненты, находящиеся в интерметаллидных фазах, полностью или частично растворяются в алюминии, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении до низкой температуры ().

В результате такой обработки структура, свойственная температуре нагрева, может быть получена при комнатной температуре, так как при быстром охлаждении распад твердого раствора (выделение интерметаллидных фаз) не успевает происходить.

Содержание легирующих компонентов в алюминиевом твердом растворе после закалки значительно превышает их предельную равновесную концентрацию при комнатной температуре, т.е. при комнатной температуре твердый раствор пересыщен (и, как правило, в очень сильной степени). Так, если сплав нагреть до температуры t3, выдержать некоторое время, необходимое для полного растворения 9-фазы в алюминии, и охладить в воде до комнатной температуры, то твердый раствор, содержащий , в результате быстрого охлаждения будет сохранен или, как часто говорят, зафиксирован при комнатной температуре.

Поскольку равновесная растворимость меди в алюминии при низких температурах составляет около , твердый раствор в закаленном сплаве Си пересыщен медью более чем в 20 раз.

Пересыщенный твердый раствор легирующих компонентов в алюминии, который получают в сплавах в результате закалки, определяет повышение прочности после закалки и возможность дальнейшего упрочнения при старении.

Рассмотрим основные принципы выбора режима закалки алюминиевых сплавов. Температура нагрева под закалку должна обеспечить как можно более полное растворение интерметаллидных фаз в алюминии.

Если содержание легирующих компонентов в сплавах не превышает их предельной растворимости при эвтектической температуре (например, в сплавах , то легирующие компоненты практически полностью могут быть растворены при нагреве под закалку; температура нагрева в этом случае должна быть выше критической точки tv. Если содержание легирующих компонентов превышает предельную растворимость, т.е. в структуре сплава в равновесных условиях имеются включения эвтектических или первичных кристаллов интерметаллидных фаз (например, в сплаве с ), то полное растворение интерметаллидных фаз невозможно.

В этом случае ориентиром для выбора температуры нагрева под закалку служит температура солидус (как правило, температура плавления наиболее легкоплавкой эвтектики); нагрев проводят до температуры на ниже линии солидус.

При закалке литейных алюминиевых сплавов следует иметь в виду, что в структуре сплавов может быть неравновесная эвтектика. Поэтому температура нагрева под закалку литейных сплавов не должна превышать температуры плавления неравновесной эвтектики. Приведенные выше соображения по выбору температуры гомогенизации полностью относятся к выбору температуры нагрева под закалку литейных алюминиевых сплавов. Температура нагрева под закалку различных промышленных сплавов колеблется в пределах от до .

Выдержка при температуре нагрева под закалку должна обеспечить растворение интерметаллидных фаз, поэтому она зависит от величины частиц и характера их распределения. В деформированных изделиях интерметаллидные фазы находятся в основном в виде мелких вторичных кристаллов (сплав уже подвергнут гомогенизации и ряду технологических нагревов), а в отливках — в виде довольно грубых эвтектических включений.

Отсюда различная продолжительность выдержки при температуре нагрева под закалку: для деформируемых сплавов она измеряется десятками минут, а для литейных — часами или даже десятками часов.

Охлаждение при закалке следует проводить с такой скоростью, которая обеспечит отсутствие распада твердого раствора в процессе охлаждения. Эта скорость должна быть больше некоторой определенной для каждого сплава критической скорости охлаждения , которая определяется как наименьшая скорость охлаждения сплава, при которой распад твердого раствора в процессе охлаждения еще не происходит.

В промышленности большинство алюминиевых сплавов при закалке охлаждают в воде (как правило, в холодной, иногда в подогретой). Скорость охлаждения тонкостенных изделий в холодной воде значительно превышает критическую скорость охлаждения любого алюминиевого сплава, т.е. удовлетворяет главному требованию, предъявляемому к охлаждению при закалке.

Однако охлаждение в воде не может рассматриваться как оптимальный вариант закалки во всех случаях. Очень высокая скорость охлаждения при закалке в воде приводит к образованию больших внутренних напряжений, которые обусловливают коробление изделий.

Это особенно проявляется в крупногабаритных изделиях сложной конфигурации (штамповки, панели), правка которых после закалки -весьма трудоемкая и дорогостоящая операция. Выбор для каждого сплава охлаждающих сред, обеспечивающих охлаждение со скоростью больше критической, но меньше, чем в воде, — актуальная задача.

После закалки сплавы, обладая повышенной по сравнению с отожженным состоянием прочностью, сохраняют высокую пластичность. Однако роль закалки, как уже отмечалось, не ограничивается ее непосредственным влиянием на свойства.

Обусловливая получение пересыщенных твердых растворов легирующих компонентов в алюминии, закалка обеспечивает возможность дальнейшего повышения прочности при старении.

AЛ 28 — алюминиевый литейный сплав, относится к системе — сплав алюминия с магнием. Согласно ГОСТ 1583-93 данный сплав не подвергается термической обработке:

Полный химический состав сплава представим в таблице 1.

Сплавы этой системы относятся к группе термически не упрочняемых, высокие свойства их достигаются вследствие увеличения концентрации магния в пересыщенном твердом растворе.

Задача №3

К оглавлению…

Выполните выбор материала для изготовления судовой металлической мебели. Ответ обосновать. Записать маркировку и расшифровку выбранного материала.

Судовая металлическая мебель является мебелью специального назначения. Основными ее преимуществами являются прочность, долговечность, ремонтопригодность. Помимо этого, металлическая мебель — самая гигиеничная.

Металлическая мебель относится к негорючей судовой мебели, что позволяет резко сократить пожароопасность в судовых помещениях и снизить опасность отравления токсичными продуктами горения в случаях возникновения пожара.

Мебель, как правило, изготавливается из алюминиево-магниевого сплава, из штампованной тонколистовой стали, нержавеющей стали для камбузных, медицинских, служебных, хозяйственных или жилых помещений.

Примем для изготовления судовой мебели наиболее дешевый алюминиево -магниевый сплав . Алюминиево-магниевый сплав обладает высокими антикоррозионными свойствами, что является приоритетным свойством для судовой мебели.

Алюминий в судостроении, в виде алюминиево-магниевых сплавов, получил широкое распространение. И потому часто носит различные имена: морской алюминий, корабельный алюминий, судовой алюминий, лодочный алюминий.

Все эти названия связаны это с отличной коррозийной стойкостью алюминиево-магниевых сплавов (с содержанием магния от 3 до 6 %) как в пресной воде, так и морской воде. Безусловным важным качеством судового алюминия является хорошая свариваемость и хорошие прочностно-механические свойства.

— алюминиевый деформируемый сплав.

Сплав применяют для изготовления малонагруженных конструкций: легких переборок, трубопроводов, арматуры, бачков, а также для внутренней отделки судов; хорошо свариваются контактной и аргонно-дуговой сваркой, несколько хуже газовой.

Полный химический состав представим в таблице 1.

Задача №4

К оглавлению…

Выполните расшифровку марки сплава: Выполните расшифровку марки сплава

-бронза оловянная литейная, содержащая олова цинка свинца никеля остальное медь

КЧ 35 — 5 — ковкий чугун, предел прочности при растяжении — , относительное удлинение при растяжении —

БрКМц 3-1 — бронза безоловянная, обрабатываемая давлением, содержащая кремния марганца меди

08Х18Г8Н2Т — сталь коррозионно-стойкая, содержащая углерода хрома марганца никеля титана

Л92 — латунь, обрабатываемая давлением, содержащая меди остальное цинк.

40ХН2МА — сталь конструкционная легированная, высококачественная, содержащая углерода никеля молибдена

ВСт 5 — сталь обыкновенного качества, порядковый номер сплава 5, содержащая углерод с гарантированным химическим составом и свойствами.

У13- Сталь инструментальная углеродистая, содержащая

Задача №5

К оглавлению…

Определите по эмпирической формуле скорость резания при подрезке торца с диаметра до диаметра у заготовки из стали с пределом прочности . Заготовка — отливка с коркой. Резец токарный подрезной торцовый, оснащенный пластинкой из твердого сплава

Глубина резания подача период стойкости резца Геометрические параметры резца: форма передней поверхности — радиусная с фаской

Рассчитаем скорость резания по эмпирической зависимости в соответствии с заданными условиями обработки [1]:

где — коэффициенты, зависящие от свойств инструментального и обрабатываемого материала

— поправочный коэффициент, определяется по формуле:

— коэффициент, учитывающий материал заготовки

— коэффициент, учитывающий состояние поверхности — коэффициент, учитывающий материал инструмента — коэффициент, учитывающий много инструментальную обработку
— коэффициенты, учитывающие геометрию резца

Ответ:

Задача №6

К оглавлению…

На токарно — винторезном станке обтачивается заготовка из серого чугуна, твердость которого твердосплавным резцом.

Глубина резания подача скорость резания

Геометрические параметры резца: форма передней поверхности — плоская,

Определите по эмпсрической формуле силу резания мощность . Достаточна ли мощность станка для работы с указанными режимами резания.

Определяем тангенциальную составляющую силы резания:

где — коэффициенты, зависящие от свойств инструментального и обрабатываемого материала [1, стр. 273];

— поправочный коэффициент, определяется по формуле:

— коэффициент, учитывающий материал заготовки

-коэффициенты, учитывающие геометрию резца [1, стр.275]

Определим мощность резания.

Мощность резания определяется по формуле:

Мощность станка согласно паспортным данным составляет: Эффективная мощность станка:

где — кпд станка, принимается

Так как мощность резания меньше эффективной мощности станка , то данный станок применим при заданных режимах резания.

Задача №7

К оглавлению…

Напишите в общем виде уравнение кинематической цепи главного движения и уравнение кинематической цепи подач. Пользуясь этими уравнениями, посчитайте максимальную частоту вращения шпинделя и минимальную продольную подачу токарно-винторезного станка . Начертите кинематическую схему станка в положении цепей согласно заданию.

Уравнение кинематического баланса цепи главного движения в общем виде можно записать:

где — частота вращения шпинделя, об/мин; — частота вращения электродвигателя, об/мин; и — диаметры ведущего и ведомого шкивов клинорсмснной передачи, мм; — коэффициент проскальзывания ремня; — общее передаточное отношение коробки скоростей.

Уравнение кинематической цепи продольной подачи в общем виде:

— передаточное отношение звена увеличения шага;

— передаточное отношение гитары сменных колёс;

— передаточное отношение коробки подач;

— длина делительной окружности реечного колеса.

Определим максимальную частоту вращения шпинделя. Выбираем зубчатые пары, имеющие наибольшее передаточное отношение.

Определим минимальную продольную подачу

Начертим кинематическую схему станка в положении цепей согласно заданию. Кинематическую схему представим на рисунке 1.

Задача №8

К оглавлению…

Начертите схему сверления отверстия и укажите на ней элементы резания при сверлении. Дайте определение глубины резания подачи скорости резания машинного времени.

Схему сверления представим на рисунке 2.

Каждый зуб сверла срезает слой металла шириной и толщиной данные параметры определяются по формулам:

глубина резания, [мм] — расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное по нормали к последней. Кстати готовые на продажу задачи тут, и там же теория из учебников может быть вам поможет она.

При сверлении отверстий в сплошном материале за глубину резания принимают половину диаметра сверла:

Скорость резания За скорость резания при сверлении принимают окружную скорость точки режущей кромки, наиболее удаленной от оси сверла. Скорость резания связана с диаметром сверла и частотой его вращения зависимостью:

где — диаметр сверла, мм; — частота вращения сверла, об/мин.

Подача — равна осевому перемещению сверла за один оборот. При сверлении подачу на оборот назначают в зависимости от диаметра сверла и обрабатываемого отверстия d:

Подача на зуб определяется по формуле:

где — число зубьев сверла.