Вариант 9
1. Охарактеризуйте особенности металлического типа связи и основные свойства металлов.
Во всех узлах кристаллической решетки расположены положительные ионы металла. Между ними беспорядочно, подобно молекулам газа, движутся электроны, отщепившиеся от атомов при образовании ионов (электронный газ). Эти электроны играют роль цемента, удерживая вместе положительные ионы; в противном случае решетка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Вместе с тем и электроны удерживаются ионами в пределах кристаллической решётки и не могут её покинуть.
Характерные свойства металлов обусловлены их строением, а именно наличием электронного газа. При комнатной температуре все металлы, кроме ртути, представляют собой твердые тела, имеющие кристаллическое строение. Для кристаллов характерно строго определенное расположение в пространстве ионов, образующих кристаллическую решетку.
К характерным свойствам металлов относят:
металлический блеск – хорошая отражательная способность;
хорошая электропроводность – хорошая способность проводить электрический ток. Это свойство обусловлено тем, что металл представляет собой вещество, состоящее из положительного ядра, вокруг которого по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла;
пластичность – свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил, т.е. металлы легко поддаются механической обработке;
высокая плотность – величина, равная отношению массы к занимаемому объему. Большинство металлов имеют плотность большую, чем неметаллы;
высокая температура плавления – температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое (исключения – ртуть, щелочные металлы);
большая теплопроводность – способность передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противоположных поверхностях. Высокая теплопроводность объясняется тем, что тепловую энергию в металлах переносят свободные электроны, находящиеся в постоянном движении. Свободные электроны сталкиваются с колеблющимися ионами и обмениваются с ними энергией. Колебания ионов, усиливающиеся при нагревании, передаются электронами соседним ионам, при этом температура быстро выравнивается по всей массе металла.

2. Какими стандартными характеристиками механических свойств оценивается прочность металлов и сплавов? Как эти характеристики определяются?
Механические свойства металлов – свойства, определяющие способность металла сопротивляться деформированию и разрушению. Основными характеристиками механических свойств металла являются прочность, упругость, пластичность, ударная вязкость, твердость.

Рисунок 1. Виды деформаций
Прочность – способность материала сопротивляться разрушающему воздействию внешних сил. В зависимости от характера действия этих сил различают прочность на сжатие (рисунок 1, а) растяжение (рисунок 1, б), кручение (рисунок 1, в), срез (рисунок 1, г) изгиб (рисунок 1, д).
Упругость – свойство восстанавливать размеры и форму после прекращения действия нагрузки
Пластичность – способность металла деформироваться без разрушения. При растяжении пластические свойства металла характеризуются относительными удлинением и сужением образца, которые взаимосвязаны, так как удлинение образца сопровождается уменьшением площади его поперечного сечения.
Относительное удлинение – это отношение приращения длины образца после разрыва к его начальной длине, выраженное в процентах.
Относительное сужение – это отношение уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади поперечного сечения, выраженное в процентах.

Рисунок 2. Диаграмма растяжения образца из малоуглеродистой стали
При испытании на растяжение (по диаграмме растяжения материала, изображенной на рисунке 2) определяют предел прочности (соответствует нагрузке Fmax), предел текучести (нагрузка Fт), относительное удлинение (Δl) и относительное сужение.
Предел прочности – это максимальная нагрузка, которую выдерживает материал без разрушения, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца.
Ударная вязкость – способность металла (сплава) сопротивляться динамическим нагрузкам. Испытание на ударную вязкость необходимо производить во всех случаях, материал предназначается для изготовления ответственных конструкций, которые в процессе эксплуатации подвергаются ударным воздействиям.

Рисунок 2. Маятниковый копр
Испытание металла на ударную вязкость выполняется на приборе, называемом маятниковым копром (рисунок 2). Копер представляет собой станину 2 с тяжелым маятником 1, шарнирно подвешенным к станине на штанге. У основания копра имеется площадка 3, на которую укладывают образец для испытания.
Из металла, который надо испытать, изготовляют образец в виде бруска длиной 55 мм и сечением 10×10 мм с поперечным надрезом посредине.
Маятник 1 поднимают и в поднятом положении закрепляют защелкой. В момент испытания освобождают защелку, маятник падает и ударяет по стороне образца, противоположной надрезу. В результате удара образец разрушается, а маятник по инерции проходит вперед, поднимаясь на высоту, меньшую первоначальной.
Ударная вязкость определяется как отношение затраченной на излом образца работы к площади его поперечного сечения.
Твердость – способность материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела под действием нагрузки. Твердость можно определить несколькими способами.
Определение твердость по Бринеллю

Рисунок 3. Испытание твердости по Бринеллю
Способ заключается во вдавливании стального полированного шарика диаметром D в образец (изделие) под действием нагрузки F (Н, кгс) и измерении диаметра отпечатка d (мм), после снятия испытательной нагрузки (рисунок 3). Испытания проводят при комнатной температуре в отсутствие вибраций и ударов. Время выдержки под нагрузкой составляет 10…15 с. Величина НВ, характеризующая твердость (число твердости по Бринеллю), представляет отношение силы F, с которой вдавливается шарик, к поверхности лунки A, оставшийся после вдавливания на испытуемом материале

Определение твердости по Роквеллу

Рисунок 4. Испытание твердости по Роквеллу
Способ основан на вдавливании алмазного конуса с углом при вершине 120°С (шкала А) или стального закаленного шарика диаметром 1,59 мм (шкала В) в испытуемый образец под действием последовательно прилагаемых предварительной F0 и основной нагрузок F1 (рисунок 4). Условная величина единицы твердости соответствует осевому перемещению наконечника на 0,002 мм.
Значение твердости определяется по глубине отпечатка h и отчитывается по циферблату индикатора, установленному на приборе. Чем меньше глубина вдавливания, тем выше твердость
В целом, методы определения механических свойств металлов разделяют на:
статические, когда нагрузка растет медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость);
динамические, когда нагрузка растет с большой скоростью (испытания на вязкость);
циклические, когда нагрузка многократно изменяется по величине и направлению (испытания на усталость). Испытания на усталость проводят на машинах для повторно-переменного изгибания вращающегося образца, закрепленного одним или обоими концами, или на машинах для испытаний на растяжение-сжатие, или на повторно-переменное скручивание. В результате испытаний определяют предел выносливости, который характеризует сопротивление материала усталости.

3. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения при охлаждении для сплава, содержащего 4,8% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре, и как такой сплав называется?
В сплавах системы «железо — углерод» встречаются следующие фазы:
жидкая фаза представляет собой неориентированный раствор железа и углерода, распространяющийся выше линии ликвидус;
ферритом называется твердый раствор углерода в α-железе. Имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006% при комнатной температуре, максимальную – 0,02 % при температуре 727°С. Углерод располагается в дефектах решетки. При температуре выше 1392°С существует высокотемпературный феррит (δ), с предельной растворимостью углерода 0,1% при температуре 1499°С. Свойства феррита близки к свойствам железа;
аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. Имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 % при температуре 727°С, максимальную – 2,14% при температуре 1147°С . В обычных сталях аустенит устойчив только при температуре выше критических точек. При охлаждении, даже самом быстром, с этих температур аустенит превращается в другие структуры;
цементит – химическое соединение железа с углеродом, соответствующее формуле Fe3C с концентрацией углерода 6,67%. Цементит, как фаза, может образовываться из жидкой и твердой фаз при различных температурах. Цементит, выделяющийся из жидкой фазы, называется первичным (ЦI), из аустенита – вторичным (ЦII), а из феррита – третичным (ЦIII).

Рисунок 5. Диаграмма состояния железо-цементит с указанием линии заданного сплава

Для заданного состава проводим линию сплава. Отмечаем каждое пересечение линии сплава с линиями диаграммы (рисунок 5).
До точки 1 существует только жидкий раствор. В точке 1 начинается кристаллизация цементита (первичного) из жидкого раствора. Цементит выделяется в виде крупных пластинчатых кристаллов. В точке 2 при температуре 1147°С первичная кристаллизация заканчивается эвтектическим превращением с образованием ледебурита. Ниже точки 2 состав сплава представлен первичным цементитом и ледебуритом (аустенит + цементит). В точке 3 (температура 727°С) происходит эвтектоидное превращение, в результате которого аустенит превращается в перлит. Эвтектоидное превращение идет при постоянной температуре. При дальнейшем охлаждении от точки 3 до комнатной температуры сплав представлен первичным цементитом и ледебуритом (смесь перлита и цементита).
Микроструктура представлена на рисунке 6. Сплав, содержащий 4,8% углерода, называется заэвтектическим чугуном.

Рисунок 6. Микроструктура заэвтектическиого чугуна: цементит (светлые пластины) и ледебурит

4. С помощью диаграммы состояния железо-цементит установите температуру полного и неполного отжига и нормализации для стали 20. Охарактеризуйте эти режимы термической обработки и опишите структуру и свойства стали.
Критические точки для данной стали: Ac1 = 727°С, Ac3(Acm) = 845°С (рисунок 7).

Рисунок 7. Часть диаграммы состояния железо-цементит
Отжигом называется операция термической обработки, при которой путем нагрева, выдержки при установленных температурах и последующего медленного охлаждения (например, вместе с печью) в стали получают устойчивую структуру, свободную от остаточных напряжений. Цель отжига стальных изделий – снять внутренние напряжения, устранить структурную неоднородность, улучшить обрабатываемость резанием и подготовить к последующей термической обработке. Законченность структурных превращений в стали при отжиге составляет цель данной операции: лишь в этом случае свойства стали после отжига существенно улучшаются. Структура стали после охлаждения представлена перлитом.
Полный отжиг – нагрев стали до температур, на 20-30°С превышающих верхнюю критическую точку (845°С), для данной стали – 865-875°С.
Неполный отжиг – нагрев стали немного выше Ас1, но ниже Ас3, не приведет к полной перекристаллизации. Такую термическую обработку называют неполным отжигом. Неполный отжиг осуществляется при температуре на 10-30°С выше критической точки Ас1. Для данной стали – 737-757°С.
Нормализацией называется нагрев доэвтектоидной стали до температуры выше Ас3 с последующим охлаждением на воздухе. Сталь нагревают до температуры на 30-50°С выше верхней критической точки. При нормализации происходит перекристаллизация стали, устраняющая крупнозернистую структуру, полученную при литье или ковке. Для данной стали – 875-895°С.

5. Почему для изготовления инструмента применяется сталь с исходной структурой зернистого перлита? В результате какой термической обработки можно получить эту структуру? Приведите конкретный режим для любой инструментальной стали.
Заэвтектоидные высокоуглеродистые инструментальные стали со структурой пластинчатого перлита имеют плохую обрабатываемость режущим инструментом. Поэтому заэвтектоидные углеродистые и легированные стали подвергают отжигу только на зернистый перлит.
Получение зернистого перлита достигается специальным видом отжига, близким по своему режиму к неполному отжигу. Сталь до температуры 740-780°С с последующим охлаждением сначала до 700°С, затем до 550-600°С и далее на воздухе. После такого нагрева в аустените остается большое число нерастворившихся включений цементита, которые служат центрами кристаллизации во время распада аустенита при охлаждении.
Особенно важным для получения зернистого перлита является точное соблюдение температурного режима, так как при очень медленном охлаждении зернистый перлит получается с крупными зернами, а часто с отдельными пластинками перлита, а при более быстром охлаждении образуется мелкозернистый (точечный) перлит. Поэтому для получения зернистого перлита целесообразно применять циклический или маятниковый отжиг. При таком отжиге сталь нагревают до 760-780°С, после небольшой выдержки охлаждают имеете с печью до 680-700°С и затем снова повторяют весь цикл несколько раз.
Конечная структура зависит от скорости охлаждения и температуры отжига. Чем меньше скорость охлаждения, тем до больших размеров вырастают зерна карбида при распаде аустенита. Регулируя скорость охлаждения, можно получать структуры глобулярного перлита от точечного до крупнозернистого. Более мелкозернистый перлит обладает повышенной твердостью.
Сталь со структурой зернистого перлита обладает наименьшей твердостью, легче обрабатывается резанием. Кроме того, зернистый перлит является оптимальной исходной структурой перед закалкой. При исходной структуре зернистого перлита меньше склонность к росту аустенитного зерна, шире допустимый интервал закалочных температур, меньше склонность к растрескиванию при закалке, выше прочность и вязкость закаленной стали.

6. Чугуны с вермикулярным графитом. Химический состав, структура, свойства и области применения.
Чугун – это железоуглеродистый сплав, содержащий более 2,14% углерода. Кроме углерода в чугуне обычно содержатся примеси кремния, марганца, фосфора, серы. Чугун отличается от стали по составу — более высоким содержанием углерода, по технологическим свойствам — лучшими литейными качествами, малой способностью к пластической деформации (в обычных условиях не поддаётся ковке). Чугун дешевле стали.
Зарождение и начало формирования вермикулярного графита близки и похожи процессам, происходящим с шаровидными включениями. Различия проявляются на последних этапах, когда рост вермикулярного графита происходит через аустенитную оболочку. Однако, при этом должен сохраняться контакт с жидкой фазой, тогда как при кристаллизации графитного включения шаровидной формы такой контакт полностью отсутствует.

Рисунок 8. Вермикулярный графит в чугуне
Вермикулярный графит имеет форму взаимосвязанных графитовых лепестков подобно пластинчатому графиту (рисунок 8). Однако эти лепестки отличаются меньшей степенью неравноосности, меньшими размерами и округлой формой кромок. В целом, имеющиеся данные свидетельствуют о том, что по одним показателям чугун с вермикулярным графитом близок к серому чугуну, а по другим – к чугуну с шаровидным графитом.
Из-за большего количества графитовых включений отливки из чугуна с вермикулярным графитом чаше всего применяют с литой структурой и подвергают термообработке реже, чем высокопрочный чугун с шаровидным графитом. Увеличение относительного количества шаровидного графита в структуре вермикулярного чугуна приводит к существенному повышению прочностных характеристик.
По таким свойствам, как тепло- и температуропроводность, электросопротивление данный чугун ближе к серому, чем к высокопрочному. Износостойкость в условиях трения качения значительно выше, чем у серого чугуна. Термостойкость с увеличением в структуре шаровидного графита с 15 до 45 % возрастает, что важно, например, для головок цилиндров дизелей, деталей гидроаппаратуры и других, работающих под давлением жидкой среды.
Основная область применения отливок из чугуна с вермикулярным графитом сосредоточена в авто- и тракторостроении, например: маслопроводы для тракторов, опорные детали головки цилиндров тяжелых грузовиков, крепежные детали рам грузовиков, тормозные рычаги тракторов, монтажные кронштейны балластных грузов трактора, бандажные кольца шестерен грузовика, монтажные детали двигателей ножей тракторов, корпуса промежуточных зубчатых передач, тор мозные кронштейны и т.д.

7. Коррозионно-стойкие стали. Виды, химический состав, области применения?
Коррозия – это разрушение конструкций и изделий из различных материалов, которое происходит из-за их физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Такую среду называют коррозионной (или агрессивной), а образующиеся химические соединения – продуктами коррозии. Коррозионная среда содержит одно или несколько веществ, вступающих в реакцию с материалом (например, металлом). Коррозия сопровождается выделением энергии, причем процессы коррозии протекают самопроизвольно.
Защиту от коррозии следует начинать с правильного подбора химического состава и структуры стали. При конструировании необходимо избегать форм, способствующих задержке влаги. Коррозионностойкой (или нержавеющей) называют сталь, обладающую высокой химической стойкостью в агрессивных средах.
Различают две группы коррозионностойких металлов (сплавов). Одни металлы хорошо сопротивляются коррозии вследствие их малой химической активности. Другие же, являясь по своей природе активными элементами, приобретают высокую химическую устойчивость. К первой группе относятся платина, палладий, золото, ко второй – хром, титан, алюминий и др. Для увеличения коррозионной стойкости химически активного металла в него вводят легирующие элементы.
Коррозионностойкие стали получают легированием низко- и среднеуглеродистых сталей хромом, никелем, титаном, алюминием, марганцем. Антикоррозионные свойства сталям придают введением в них большого количества хрома или хрома и никеля. Сталь стойка против коррозии в кислотах, щелочах и растворах солей при содержании в ней более 12% хрома. Наибольшее распространение получили хромистые и хромо-никелевые стали.
В таблице 1 представлены области применения некоторых коррозионностойких сталей.
Таблица 1
Применение коррозионностойких сталей
Марка стали Область применения
08Х13 Детали с повышенной пластичностью, подвергающиеся ударным нагрузкам (клапаны гидравлических прессов, предметы домашнего обихода), а также изделия подвергающиеся действию слабоагрессивных сред (атмосферные осадки, водные растворы солей органических кислот при комнатной температуре и др.). Сталь коррозионностойкая и жаростойкая ферритного класса.
12Х13 Детали с повышенной пластичностью, подвергающиеся ударным нагрузкам (клапаны гидравлических прессов, предметы домашнего обихода), а также изделия подвергающиеся действию слабоагрессивных сред при температуре 450-500°С. Сталь коррозионностойкая, жаропрочная и жаростойкая мартенситно-ферритного класса.
10Х14АГ15 Для немагнитных деталей, работающих в слабоагрессивных средах. Сталь коррозионностойкая аустенитного класса.
08Х17Т Изделия, работающие в окислительных средах, атмосферных условиях, кроме морской, в которой возможна точечная коррозия. Теплообменники и трубы. Сварные конструкции, не подвергающиеся действию ударных нагрузок и работающие при температуре не ниже — 20°С. Сталь коррозионностойкая, жаростойкая ферритного класса.
25Х13Н2 Детали с повышенной пластичностью, подвергающиеся ударным нагрузкам (клапаны гидравлических прессов, предметы домашнего обихода), а также изделия, подвергающиеся действию слабоагрессивных сред (атмосферные осадки, водные растворы солей органических кислот при комнатной температуре и другие). Сталь коррозионностойкая мартенситного класса.
15Х25Т Для сварных конструкций, не подвергающихся действию ударных нагрузок при температуре эксплуатации не ниже 20°С для работы в агрессивных средах. Трубы для теплообменной аппаратуры, работающей в агрессивных средах. Аппаратура, детали, чехлы термопар, электроды искровых зажигательных свечей, теплообменники. Сталь жаростойкая до 1100°С, коррозионностойкая ферритного класса.

Перечень использованной литературы
Адаскин А.М. Материаловедение (металлообработка) / А.М. Адаскин – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 240 с.
Козлов Ю.С. Материаловедение / Ю.С. Козлов – М.: АГАР, 1999. – 182 с.
Лахтин Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.
Основы материаловедения / Под редакцией И.И. Сидорина – М.: Машиностроение, 1976. – 436 с.
Перебоева А.А. Технология термической обработки металлов. Курс лекций / А.А. Перебоева – Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2007. – 143 с.

Вариант 9 1 Охарактеризуйте особенности металлического типа связи и основные свойства металлов