Областное бюджетное  профессиональное образовательное учреждение

«Курский электромеханический техникум»

 

 

 

 

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ПО ВЫПОЛНЕНИЮ САМОСТОЯТЕЛЬНЫХ РАБОТ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ ОП.03 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

для обучающихся по профессии:

23.01.03Автомеханик

            

 

 

 

 

                                                      Разработчик: Л.Н. Борзенкова,

                              преподаватель

 

                                               

 

 

 

 

 

 

2015 г.

 

РАССМОТРЕНЫ на заседании ПЦК преподавателей профессионального цикла по направлению подготовки «Техника и технологии наземного транспорта» Протокол №___ от «__»_____2015 г Председатель ПЦК_________ЕВ.Кулинич

РАССМОТРЕНЫ   методическим советом техникума   Председатель методического совета ___________Г.Н. Галахова   «__»_________ 2015г.

СОГЛАСОВАНО   заместитель директора   ____________ А.В. Ляхов     «__»_________ 2015 г.

 

 

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ПО ВЫПОЛНЕНИЮ САМОСТОЯТЕЛЬНЫХ РАБОТ

ПО ПО ДИСЦИПЛИНЕ ОП.03 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

для обучающихся по профессии:

23.01.03 Автомеханик

 

 

 

 

 

Разработчик:

______________

Л.Н. Борзенкова, преподаватель высшей квалификационной категории

 

 

 

Рецензенты: С.А. Дудинский, директор МУП «Курскэлектротранс» В/депо

          Рецензенты: В.И, Паньков, заместитель директора ОБПОУ «КЭМТ»

 

 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

	Пояснительная записка………………………………………………..	4
	Самостоятельная работа №1 по теме: «Основные сведения о строении, свойствах и методах испытаний металлов и сплавов»………………………………………………………………..	7
	Самостоятельная работа №2 по теме: «Основные сведения по теории сплавов»………………………………………………………… Самостоятельная работа № 3 по теме: «Железоуглеродистые сплавы». ……………………………………………………………..…	30   45
	Самостоятельная работа № 4 по теме: «Термообработка и химико-термическая обработка сталей»…………………………………….…	74
	Самостоятельная работа № 5 по теме: «Цветные металлы и сплавы»…………………… …………………………………………..	103
	Самостоятельная работа №6 по теме: «Стали и сплавы с особыми свойствами»…………………………………………………………… Самостоятельная работа № 7 по теме: «Неметаллические материалы»………………………………………………….…………..	128   138

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Задача организации внеаудиторной самостоятельной работы  обучающихся становится все более актуальной. Актуальность этой проблемы бесспорна, так как знания, умения, убеждения, опыт нельзя передать  обучающемуся, прибегая только к словам. Главной функцией самостоятельной работы является формирование личности, так как только в самостоятельной интеллектуальной и духовной деятельности развивается человек.

Методические указания по выполнению самостоятельных работ по учебной дисциплине  предназначены для проверки знаний, закрепления учебного материала по дисциплине «Материаловедение» по профессии «Автомеханик».

Самостоятельная работа,  представленная в методической разработке предполагает, что обучающиеся самостоятельно повторяют ранее изученный материал с помощью кратких теоретических сведений, содержащихся в структуре работы. Затем они выполняют задания, которые представлены в виде разных уровней. В одних заданиях необходимо вставить недостающие слова в определении, в других заданиях имеются подсказки, которыми обучающиеся могут воспользоваться для выполнения задания (информационный банк, содержащий перечень ответов на вопросы), в заданиях для самостоятельной работы содержатся вопросы практического характера, например, расшифровка марок различных сплавов, также есть задания по составлению таблиц, схем различных видов.

Говоря о формировании у обучающихся самостоятельности, необходимо иметь в виду две тесно связанные между собой задачи. Первая из них заключается в том, чтобы развить у обучающихся самостоятельность в познавательной деятельности, научить их самостоятельно овладевать знаниями, формировать свое мировоззрение, вторая – в том, чтобы научить их самостоятельно применять имеющиеся знания в учении и практической деятельности.

Содержание и объем самостоятельной работы подобран в соответствии с уровнем знаний обучающихся,  в соответствии с программой дисциплины «Материаловедение». Ключевая цель самостоятельной работы заключается в закреплении, расширении знаний, формировании умений и навыков самостоятельного умственного труда, развитии самостоятельного мышления и способностей к самоорганизации.

В данной самостоятельной работе так подобраны задания, что  для решения некоторых  из них  необходима дополнительная информация, которой нет в кратких теоретических сведениях, это должно побуждать обучающихся к поиску необходимых данных с помощью рекомендуемых интернет-ресурсов.

Выполнение самостоятельных работ также поможет отстающим обучающимся восполнить пробелы знаний и самостоятельно закрепить материал при выполнении заданий.

Успешное выполнение самостоятельной работы по дисциплине обеспечивается следующими условиями: мотивирование учебных заданий, четкая постановка цели, определение форм отчетности и сроков представления результатов.

При составлении заданий для выполнения работы учтены все необходимые условия, каждое задание обеспечено необходимой информацией: методические указания по выполнению самостоятельной работы, форма отчета, критерии оценки.

Методические указания содержат четкую формулировку целей, которые обучающиеся должны реализовать в процессе выполнения задания, разъясняется последовательность выполнения заданий, форма контроля и критерии оценки.

Критериями оценки результатов самостоятельной работы обучающихся являются: уровень освоения обучающимися учебного материала, умение использовать теоретические знания при выполнении практических задач, оформление материала в соответствии с требованиями.

Дидактические материалы, представленные в методическом указании соответствуют современным требованиям, направлены на получение обучающимися необходимых знаний, умений и навыков для освоения соответствующей профессией.

       Выполнение обучающимися самостоятельной работы способствует формированию профессиональных компетенций, соответствующих  виду профессиональной деятельности:

Обучающийся обязан:

·                     перед выполнением самостоятельной работы, повторить теоретический материал, пройденный на аудиторных занятиях;

·                     выполнить работу согласно заданию;

·                     по каждой самостоятельной работе представить преподавателю отчет в виде результирующего файла на внешнем носителе;

·                     ответить на поставленные вопросы.

 Если по ходу выполнения самостоятельной работы у обучающегося возникают вопросы и затруднения, он может консультироваться у преподавателя. Каждая работа оценивается по пятибалльной системе. Критерии оценки приведены в конце методических рекомендаций.

Методические указания по выполнению самостоятельных работ по дисциплине «Материаловедение» соответствует предъявленным требованиям,  и  могут  быть использованы как пособие в образовательных учреждениях СПО.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Самостоятельная работа № 1 по теме: «Основные сведения о строении, свойствах и методах испытаний металлов и сплавов»

Цель работы: Проверить знания по пройденным темам, оценить уровень усвоения, научить обучающихся самостоятельно использовать имеющиеся знания для решения контрольных заданий.

Ход выполнения задания:

1. Прочитать краткую теорию.

2. Записать вопросы в тетрадь и указать только правильные ответы.

3.  При необходимости воспользоваться интернет-ресурсами.

Краткая теория

1. Свойства и строение металлов

Металлы – простые вещества, обладающие высокой тепло- и электропроводностью, ковкостью, металлическим блеском, непрозрачностью и другими свойствами, характерными для металлов.

Свойства металлов сильно зависят от способа их получения, содержания примесей и вида обработки. По степени очистки различают металлы технически чистые (примеси 0,1-0,5%), химически чистые (0,01-0,1%) и сверхчистые (менее 0,001%). К металлам относятся 80 элементов периодической системы Д.И. Менделеева. Все металлы и сплавы делятся на черные, к которым относятся железо и сплавы на его основе, и цветные (или, точнее, не железные) – все остальные металлы и их сплавы.

По физическим и химическим свойствам, а также характеру залегания в земной коре цветные металлы и их сплавы подразделяются на:

-    легкие – алюминий, бериллий, магний, титан, литий, натрий и др.;

-    тяжелые – медь, никель, цинк, свинец, кобальт, ртуть, олово и др.;

-    благородные, обладающие высокой устойчивостью против коррозии – золото, серебро, платина и платиноиды;

-    тугоплавкие – вольфрам, молибден, тантал, рений, ванадий и др.;

-    рассеянные – гафний, индий и др.;

-    редкоземельные – скандий, лантан и все лантаноиды;

-    радиоактивные – технеций, франций, радий, полоний, уран и все трансурановые элементы.

Прикладная наука, изучающая связь между составом, строением (или структурой) и свойствами металлов и их сплавов, а также закономерность их изменения при различных внешних воздействиях (тепловом, механическом, химическом, ядерном и др.), называется металловедением. Знание  этих закономерностей позволяет создавать сплавы с заданными свойствами, изменять в желаемом направлении свойства применяющихся металлов и сплавов путем изменения технологии их производства, термической, механической и другой обработкой.

Наука о металлах молода, но корни, на которых она произросла, простираются в глубины веков – это точные естественные науки. В 1763 году великий русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765) опубликовал труд «Первые основания металлургии, или рудных дел», в котором заложил основы научной металлургии.

Для создания современной науки о металлах большое значение имели труды русских ученых. Особо необходимо выделить  Павла Петровича Аносова (1799–1851) впервые применившего микроскоп для изучения стали и положившего начало изучению закономерностей связи между структурой и свойствами сплавов.

Теоретические основы современного металловедения были созданы в фундаментальных трудах Дмитрия Константиновича Чернова (1839–1921), который открыл и изучил фазовые превращения в стали и заложил фундамент основ термической обработки.

Вклад в развитие науки о металлах внесли другие русские и советские ученые – Н.С. Курнаков, А.А. Байков, Н.Т. Гудцов, А.А. Бочвар и многие другие. Среди зарубежных ученых необходимо отметить Ф. Осмонда, А. Портевена, Р. Аустена, А. Ледебура, А. Мартенса.

1.1. Свойства и методы испытания металлов

Свойства металлов принято подразделять на механические, физические, химические, технологические и эксплуатационные.

Механические свойства. Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться действию внешних сил. К основным механическим свойствам относятся прочность, твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность и др.

Прочность – способность тела сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних нагрузок.

Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела, не получающего остаточной деформации.

 Вязкость – способность материала сопротивляться разрушению под действием динамических нагрузок. Поскольку многие материалы, вязкие в условиях медленного нагружения, становятся  хрупкими при быстром (ударном) приложении нагрузки, то широко применяется определение ударной вязкости.

Хрупкость – способность тела разрушаться под действием внешних сил практически без пластической деформации.

Упругость – свойство твердого тела восстанавливать свою форму и объем  после снятия нагрузки, вызвавшей деформацию. В конструкциях упругость проявляет себя в жесткости – способности сопротивляться деформации.

Пластичность – способность тела остаточно, не разрушаясь изменять свою форму и размеры под действием внешних сил.

Механические свойства металлов определяют при статическом (кратковременном и длительном) и динамическом нагружении, при циклическом приложении нагрузки и другими методами.

Статическое нагружение характеризуется медленным приложением и плавным возрастанием нагрузки от нуля до некоторого максимального значения. Статические испытания проводят на растяжение, сжатие, кручение, изгиб и твердость.

Наибольшее распространение получил метод растяжения – самый жесткий вид испытаний. Испытания проводятся на 5 или 10 кратных образцах (l₀ = 5d₀ или 10d₀, где l₀ – длина образца, а d₀ – его диаметр), что позволяет соблюдать геометрическое подобие и получать сравнимые результаты для всех металлов. Испытания на растяжение дают информацию о прочности, упругости и пластичности материалов. Рассмотрим диаграмму растяжения малоуглеродистой отожженной стали (рис. 1.1а).

Рис. 1.1. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали

В начальной стадии диаграммы материалы испытывают только упругую деформацию, которая полностью исчезает после снятия нагрузки. До точки «a» эта деформация пропорциональна нагрузке или действующему напряжению:

σ = P/F₀,

где P - приложенная нагрузка, F₀- начальная площадь поперечного сечения образца.

Теоретический предел пропорциональности – максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между напряжением (нагрузкой) и деформацией:

σ_пц = P_пц/F₀.

Прямолинейную зависимость между напряжением и деформацией можно выразить законом Гука:

σ = Е∙ε,

где ε = Δl/l₀∙100% – относительная деформация, Δl – абсолютное удлинение, l₀ – начальная длина образца; Е – коэффициент пропорциональности (tg α), характеризующий упругие свойства материала – называется модулем нормальной упругости, с его увеличением возрастает жесткость изделий, поэтому Е часто называют модулем жесткости.

Теоретический предел упругости – максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию:

σ_уп = P_уп/F₀.

Прочность характеризуется пределом текучести физическим и условным.

Физический предел текучести – напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке:

σ_т = P_т/F₀.

На диаграмме пределу текучести соответствует участок «c –d», когда наблюдается пластическая деформация (удлинение) - «течение» металла при постоянной нагрузке.

Большая часть металлов и сплавов не имеет площадки текучести, и для них определяют условный предел текучести – напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2% от начальной расчетной длины образца (рис. 1.1б):

 σ_0,2 = P_0,2/F₀.

При дальнейшем нагружении пластическая деформация все больше увеличивается, равномерно распределяясь по всему объему образца.

В точке «В», где нагрузка достигает максимального значения, в наиболее слабом месте образца начинается образование «шейки» – сужения поперечного сечения, и деформация сосредотачивается именно на этом участке, то есть из равномерной переходит в местную. Напряжение в этот момент называют пределом прочности.

Предел прочности (временное сопротивление) при растяжении – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает  образец до разрушения:

σ_В = P_В/F₀.

За точкой «В» в связи с развитием шейки нагрузка уменьшается, в точке «к» при нагрузке «Р_к» происходит разрушение образца.

Истинный предел прочности (истинное сопротивление разрушению) – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом в момент, предшествующий разрушению образца:

σ_к = P_к/F_к,

где F_к – конечная площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.

Твердость измеряется путем вдавливания в испытуемый образец твердого наконечника различной формы. Определение твердости проводят тремя наиболее распространенными методами.

По методу Бринелля под действием нагрузки в испытуемое тело внедряется стальной закаленный шарик. Число твердости обозначается НВ и представляет собой отношение статической нагрузки к площади поверхности отпечатка шарика.

По методу Роквелла в испытуемую поверхность в два этапа нагружения вдавливается индентор – алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной шарик с диаметром 1,588мм. Число твердости обозначается НRС (конус) или НRВ (шар) и характеризуется разницей глубин проникновения индентора при первом  и втором этапах нагружения.

По методу Виккерса в испытуемую поверхность вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом α = 136° между противоположными гранями. Число твердости HV определяют так же, как и в способе Бринелля, отношением нагрузки к площади поверхности отпечатка пирамиды.

Пример расшифровки обозначений: Н –Hard (твердость), B – Brinell, R – Rokwell, V – Vikkers, B – Ball – (шар), C – Cone (конус)

При динамических испытаниях нагрузка прилагается с большой скоростью – ударом и определяется, таким образом, ударная вязкость. Производят испытания на маятниковом копре на стандартных образцах с надрезом. Испытания при пониженных температурах позволяют определять склонность металла к хладноломкости – резкому возрастанию хрупкости.

Физические свойства металлов. К физическим свойствам металлов и сплавов относятся: температура плавления, плотность, температурный коэффициент, электросопротивление и теплопроводность. Физические свойства сплавов обусловлены их составом и структурой.

Химические свойства. К химическим свойствам относится способность материалов к химическому взаимодействию с другими веществами и агрессивными средами.

Технологические свойства. Способность материала подвергаться различным методам горячей и холодной обработки определяют по его технологическим свойствам. К ним относятся литейные свойства, деформируемость, свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом и др. Эти свойства позволяют производить формоизменяющую обработку и получать заготовки и детали машин.

Литейные свойства определяются жидкотекучестью, усадкой и склонностью сплавов к ликвации.

Деформируемость – способность металлов и сплавов принимать необходимую форму под влиянием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем сопротивлении нагрузки.

Свариваемость – способность металлов и сплавов образовывать неразъемные соединения требуемого качества.

Эксплуатационные или служебные свойства. В зависимости от условий работы машины или конструкции определяют служебные свойства: коррозийную стойкость, хладостойкость, жаропрочность, жаростойкость, износостойкость и др.

Коррозионная стойкость – сопротивление сплава действию агрессивных сред (кислотных и щелочных).

Хладостойкость – способность сплава сохранять пластические свойства при температурах ниже нуля.

 Жаропрочность – способность сплава сохранять механические свойства при высоких температурах.

Жаростойкость – способность сплава сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах.

Износостойкость – способность материала сопротивляться разрушению поверхностных слоев при трении.

Антифрикционность – способность сплава прирабатываться к другому сплаву.

1. 2. Методы исследования строения металлов

Различают структурные (непосредственно изучается строение металла) и физические (изменение физических свойств свидетельствует об изменении структуры) методы исследования.

Структурные методы исследования. Макроанализ заключается в изучении строения металлов и сплавов (макроструктуры) невооруженным глазом или, например, с помощью лупы. Макроанализ осуществляют после предварительной подготовки образцов – шлифовки и травления специальными реактивами или без подготовки. Макроанализ позволяет выявить различные особенности строения и дефекты (трещины, пористость, раковины) металлов.

Микроанализ заключается в изучении микроструктуры – строения металла, выявляемого с помощью оптического или электронного микроскопа.

Оптические микроскопы позволяют проводить изучение (микроанализ) образцов при увеличении от 50 до 2000 раз. Образцы называются микрошлифами и имеют зеркально блестящую поверхность, так как их изучение происходит в отраженном свете. С помощью микроскопа на микрошлифе после полирования можно увидеть микротрещины, неметаллические включения и т.д.

Для выявления самой микроструктуры поверхность шлифа травят специальными реактивами. Выявление микроструктуры основано на том, что различные фазы протравливаются и, таким образом, окрашиваются по-разному. В результате возможно выявить форму и размеры отдельных зерен, их ориентировку, отдельные фазы, изменения в процессе обработки и т.д.

Рентгеноструктурный анализ – основан на просвечивании рентгеновским излучением объекта и позволяет выявить внутренние дефекты, а также кристаллическую решетку.

Дефектоскопия – система методов неразрушающего контроля качества продукции. При этом не требуется специального приготовления образцов и не нарушается целостности изделия. Магнитная дефектоскопия выявляет трещины, газовые пузыри и др. в поверхностном слое (до 2 мм) изделия из ферромагнитных материалов. Ультразвуковая дефектоскопия – дефекты (трещины, поры и т. д.) в объеме любого металла на большой глубине.

К новым методам исследования структуры относятся нейтронография, фотоэлектронная микроскопия и др. Они обладают высокой разрешающей способностью (10^-4нм) и позволяют решать широкий круг вопросов.

Физические методы исследования. Метод термического анализа основан на явлении теплового эффекта, проявляющегося при фазовых превращениях при определенных температурах – точки перегиба или температурные остановки на кривых изменения температуры во времени, которые называют критическими точками.

Дилатометрический метод основан на измерении объема и линейных размеров при нагревании металлов и сплавов.

Электрические методы – измерение сопротивления омметрами, мостовыми и компенсационными схемами.

Магнитный анализ используют при исследовании процессов, связанных с переходом из парамагнитного состояния в ферромагнитное и наоборот, причем возможна количественная оценка этих процессов.

Метод внутреннего трения основан на изучении необратимых потерь энергии механических колебаний внутри твердого тела.

1.3. Строение металлов

Все вещества в твердом состоянии могут иметь аморфное или кристаллическое строение. В аморфном веществе атомы расположены хаотично. В кристаллических твердых телах, к которым относятся металлы, атомы расположены в геометрически правильном порядке, образуя некую воображаемую пространственную сетку или кристаллическую решетку, в узлах которой располагаются атомы. Такое построение атомов обусловлено особым взаимодействием между ними – металлической связью. Металлическая связь образуется следующим образом. Если на внешней оболочке атома находится меньше четырех валентных электронов – что типично для металлов, – то все внешние электроны атомов внутри структурной единицы вещества обобществляются и не принадлежат ни одному отдельному атому, ни какой-то группе, образуя так называемый электронный газ. Все характерные свойства металлов (высокие тепло- и электропроводимость, способность поглощать и испускать поглощенную энергию, высокая пластичность и т.д.) определяются спецификой связи – наличием свободных электронов.

 Наименьшая часть объема кристаллической решетки, определяющая структуру металла, называется элементарной кристаллической ячейкой. Для металлов наиболее типичны три типа кристаллических решеток: две кубические и одна гексагональная (рис. 1.2).

Элементарная ячейка объемноцентрированной кубической решетки (ОЦК) отличается от простой кубической решетки тем, что в центре каждого кубика находится еще один атом. В гранецентрированной кубической решетке (ГЦК) кроме атомов в узлах решетки в центре каждой из шести граней расположен атом. Гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ) построена из ромбических призм, причем три из них образуют гексагональную призму.

Рис. 1.2. Расположение атомов в элементарных ячейках:

а – объемноцентрированная кубическая (Cr, Fe_α, V, Ti_β, Na, Mo, W);

б – гранецентрированная кубическая (Ni, Cu, Al, Ag, Fe_γ);

в – гексагональная плотноупакованная (Mg, Zn, Be, Cd, Ti_α)

Решетки характеризуются периодом, координационным числом, коэффициентом компактности решетки и базисом.

Свойства каждого тела зависят от природы атомов, из которых оно состоит, и от силы взаимодействия между этими атомами, которая в значительной степени определяется расстоянием между ними. В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве свойства в различных направлениях одинаковы, то есть аморфные тела – изотропны. В кристаллических телах атомы имеют правильное расположение в пространстве, причем по различным направлениям расстояния между атомами различны, что предопределяет существование различий в связях между ними и, в конечном результате, различные свойства. Эта особенность кристаллов, то есть зависимость свойств от направления, называется анизотропия. Анизотропия отчетливо проявляется в монокристаллах (однокристаллических телах).

Применяющиеся как конструкционные материалы металлы и сплавы являются телами поликристаллическими, состоящими из большого числа случайно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов. Поэтому при испытаниях таких тел анизотропия не обнаруживается – свойства во всех направлениях усредняются, и поликристалл становится как бы изотропным (квазиизотропия). В поликристаллах может проявиться анизотропия, но только в случае одинаковой пространственной ориентировки большинства зерен (при пластической деформации, ядерной обработке и других методах воздействия).

В реальных металлах кристаллическая решетка имеет много нарушений строения – дефектов, которые оказывают большое влияние на многие свойства металла: прочность, пластичность, электропроводимость и т.д. По положению в пространстве (в трех измерениях) различают точечные, линейные и поверхностные дефекты.

Точечные дефекты малы и образуются в результате тепловых колебаний атомов, пластической деформации, загрязнения примесями, ядерного воздействия и т.д. Выделяют три вида точечных дефектов: вакансии, дислоцированные атомы и атомы примесей (рис. 1.3).

Вакансии (1) – это отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки. Число вакансий увеличивается с повышением температуры, при обработке давлением, облучением и других видах обработки.

 

 

Рис. 1.3. Схема точечных дефектов

Дислоцированные атомы (2) – атомы, вышедшие из узла кристаллической решетки и занявшие место где-то в междоузлии. Атомы примесей (3) и (4) либо занимают в кристаллической решетке места основных атомов, либо внедряются внутри ячейки.

Линейные дефекты называются дислокациями и имеют малые размеры в двух направлениях и большую протяженность в третьем. Различают краевые, винтовые и смешанные дислокации.

Краевая дислокация представляет собой искажение кристаллической решетки, вызванное наличием лишней атомной полуплоскости В (рис. 1.4).

 

 

 

 

 

Рис. 1.4. Схема краевой дислокации

Такую лишнюю неполную атомную плоскость называют экстраплоскостью. Она действует как клин, изгибая решетку вокруг своего нижнего края. Над дислокацией атомы уплотнены, а под ней раздвинуты. Область несовершенства кристалла вокруг края экстраплоскости и называется краевой (линейной) дислокацией. Протяженность дислокации равна длине края экстраплоскости А – А.

Винтовая дислокация образуется при частичном сдвиге по плоскости Q вокруг линии ВС, при этом кристалл превращается как бы в одну атомную плоскость, закрученную по винту вокруг линии ВС (рис. 1.5). Эта линия представляет границу, отделяющую ту часть плоскости скольжения, где сдвиг уже прошел, от той части, где сдвиг еще не начался, т.е. является дислокацией.

 

 

 

 

Рис. 1.5. Схема винтовой дислокации

Краевая и винтовая дислокации объединяются в смешанную, скольжение которой складывается из перемещений краевой и винтовой компонент.

Поверхностные дефекты малы только в одном измерении и представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами кристаллов или их блоками (рис. 1.6).

 

 

 

 

 

Рис. 1.6. Схема поликристаллического строения металлов

Зерна по разную сторону границ имеют различную пространственную ориентировку, и существует область перехода, в которой решетка одного зерна переходит в решетку другого зерна с иной ориентацией.

1.4. Кристаллизация металлов

Процесс образования в металлах кристаллической решетки при охлаждении жидкого металла называется кристаллизацией. Для изучения процесса кристаллизации строят кривые охлаждения металлов, которые показывают изменение температуры металла (t) во времени (τ) (рис. 1.7).

 

 

Рис. 1.7. Кривая охлаждения чистого металла

На кривой охлаждения имеется горизонтальный участок с температурой t_кр, называемой температурой кристаллизации. Наличие этого участка говорит о том, что процесс сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации. Длина горизонтального участка - это время кристаллизации.

Образование кристаллической решетки сопровождается уменьшением запаса внутренней энергии тела. Изменение величины свободной энергии в зависимости от температуры для твердого и жидкого состояния схематически показано на рис. 1.8. При температуре Т_пл свободные энергии обоих состояний равны. Такую температуру называют равновесной или теоретической температурой кристаллизации. Плавление требует небольшого перегрева до Т₂, а кристаллизация – переохлаждения до Т₁. Разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации называется степенью переохлаждения: ΔТ=Т_пл – Т₁.

 

 

Рис. 1.8. Изменение свободной энергии жидкого и твердого металла в зависимости от температуры

 

Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов: зарождения центров кристаллизации (зародышей) и роста кристаллов из этих центров. Оба процесса идут одновременно при понижении температуры.

В процессе кристаллизации, когда растущий кристалл окружен жидкостью, он имеет правильную геометрическую форму, при столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, и после окончания кристаллизации образуются сросшиеся кристаллы неправильной формы, которые называются зернами или кристаллитами.

Иногда в жидкий металл специально добавляется небольшое количество тех или иных веществ, чтобы получить нужное строение металла. Такие добавки называют модификаторами, а сам процесс – модифицированием.

1.5 Полиморфные и магнитные превращения в металлах

Способность некоторых веществ в твердом виде в зависимости от внешних условий существовать в различных кристаллических формах называется полиморфизмом, или аллотропией. Каждый вид решетки такого вещества называется модификацией, а перестройка одного типа решетки в другой – полиморфным превращением. Модификации одного и того же вещества принято обозначать греческими буквами, предшествующими его названию или химическому символу. При этом буква «α» обозначает низкотемпературную модификацию, а буквы «β», «γ», «δ» и т.д. – модификации, образующиеся при повышении температуры, например, α – железо, γ – Fe и т.д. Допускается обозначать модификации подстрочными буквами у химического символа вещества – Fe_α, Fe_γ. Полиморфные превращения происходят при постоянной температуре и сопровождаются тепловым эффектом.

Из физики известно, что в зависимости от того, как вещества реагируют на присутствие внешнего магнитного поля, их подразделяют на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Последние хорошо реагируют на магнитное поле, обладают остаточным магнетизмом, и их используют в качестве магнитных материалов (магнитные металлы Fe, Co, Ni). При нагреве магнитные свойства постепенно падают, а при достижении определенной для каждого металла температуры, называемой точкой Кюри, они становятся парамагнетиками. Магнитные превращения не связаны с изменением кристаллической решетки или микроструктуры и других механических и физических свойств. Изменение магнитных свойств связано с изменениями в характере межэлектронного взаимодействия. Магнитные превращения не зависят от скорости нагрева или охлаждения.

Поясним происходящие полиморфные и магнитные превращения на примере охлаждения чистого железа (рис. 1.9).

 

Рис. 1.9. Кривая охлаждения чистого железа

От 0ºC до 911ºC железо имеет ОЦК решетку и называется Fe_α. При температуре 768ºC (точка Кюри для железа) ферромагнитное Fe_α становится парамагнитным. Эту точку условно обозначают Fe_β. При температуре 911ºC образуется ГЦК решетка железа – Fe_γ, которая устойчива до 1392ºC . При температуре 1392ºC кристаллическая решетка вновь перестраивается в ОЦК – Fe_α (Fe_δ), которая сохраняется до температуры плавления. При охлаждении превращения идут в обратном порядке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАДАНИЯ

1.  Какие материалы дали названия целым эпохам?

__________________________________________________________________

2. Допишите определение: метолами называют химические простые вещества _______________________________________________________________

3. Приведите примеры известных вам металлов.

___________________________________________________________________________________________________________________________________

4.  Перечислите металлы, которые наиболее часто применяются в машиностроении и приборостроении.

____________________________________________________________________________________________________________________________________

5. Напишите химические обозначения известных вам редких цветных металлов. Для выполнения задания используйте таблицу Менделеева.

 

6. Закончите определения:

а) вещества, атомы которых расположены в пространстве хаотично, называют__________________________________________________________

б) вещества, атомы которых расположены в пространстве в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку, называют_________________

7. Допишите определение: сплав – это _________________________________

_______________________________________________________________

8. Что называют компонентом сплава?

__________________________________________________________________

9. Чем отличаются сплавы от чистых металлов?

__________________________________________________________________

10.  Что представляет собой кристалл?

__________________________________________________________________

 

11. Перечислите известные вам дефекты кристаллов.

____________________________________________________________________________________________________________________________________

12. Изобразите кубическую гранецентрированную и гексогональную плотноупакованную кристаллические решетки аналогично кубической объемно-центрированной решетке, показанной на рис. Приведите характеристики, следуя представленному примеру.

Пример. Кубическая объемно-центрированная

Решетка состоит из девяти атомов (восемь рас-

положены в вершинах решетки и один – в цен-

тре). Такую решетку имеют хром Cr, вольф-

рам W, ванадий V и железо Fe при температурах до 900⁰С и свыше 1 400⁰С.

__________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________________________________________________________________

13. В приведенных прямоугольниках схематически изобразите основные этапы процесса кристаллизации.

 

 

 

 

 

14. Используя графики,  определите, как влияют скорость охлаждения v  и температура Т на кристаллизацию чистых металлов.

Кривые охлаждения чистого металла (а) и изменение свободной энергии металла в твердой (1) и жидкой (2) фазах в зависимости от температуры Т:

  Т- степень переохладнеия; Т_s, Т_n-теоретическая и фактическая температуры кристаллизации; t- время; v₁-v₃- скорости охлаждения

Запишите свои выводы:

v:_________________________________________________________________

Т:________________________________________________________________

15. Заполните пропуски в определениях, выбрав необходимый термин (анизотропия, аллотропия):

а) способность одного и того же металла образовывать кристаллическую решетку разной формы называю______________________________________

б) неоднородность физических свойств в различных направлениях плоскостей кристаллической решетки называют_________________________

16. Запишите следующие металлы:

а) претерпевающие аллотропические превращения

 

б) не претерпевающие аллотропических превращений

Для выполнения задания используйте информационный банк: железо Fe, алюминий Al, никель Ni, титан Ti, цинк Zn, кобальт Со, вольфрам W, медь Cu, олово Sn, серебро Ag, свинец Pb.

17. Перечислите методы изучения структур металлов и сплавов:

___________________________________________________________________________________________________________________________________

18.  Заполните таблицу в которой запишите условия исследования и отличительные признаки различных методов анализа структуры металлов.

         Проанализируйте эти методы и запишите ваши выводы об эффективности исследований.

____________________________________________________________________________________________________________________________________

Методы анализа структуры и их особенности

Метод	Условия исследования	Отличительные признаки
Макроанализ
Микроанализ
Спектральный анализ
Магнитная дефектоскопия
Ультразвуковая дефектоскопия
Ретгеноский анализ
Метод радиоактивных изотопов

19. Какие свойства металлов вы знаете?

__________________________________________________________________

20. Дорисуйте «башмачки» к «лапкам паучка» Укажите в них физические свойства металлов.

 

 

 

21. Какие технологические свойства металлов и сплавов отражены? Запишите их.

 

22. Запишите по горизонтали названия технологических свойств металлов и сплавов, а также их механических свойств, определяемых с помощью технологических испытаний. Прочтите по вертикали термин, обозначающий эти названия.

 

 

23.  Какие новые методы испытаний металлических образцов вам известны?

__________________________________________________________________

 24.  Определите относительное удлинение б и марку конструкционной стали (ГОСТ 1050-88**), если при использовании стандартного образца из этой стали на разрыв его начальные размеры составляли: d₀=10мм и l₀=100 мм. Длина образца после разрыва l_k = 119 мм.

 

 

 

 

 

 

Предполагаемые марки стали:

30 (б=20 %)

35 (б=19 %)

45 (б=17 %)

Решение:__________________________________________________________

Ответ:_____________________________________________________________

25. Какие химические свойства металлов и сплавов вам известны?

__________________________________________________________________

26. На рисунке  впишите в свободные кружки (планеты) виды химической и электрохимической коррозии металлов и сплавов. Укажите соответствующие методы защиты от коррозии.

__________________________________________________________________

27. Какие механические свойства металлов вам известны?

__________________________________________________________________________________________________________________________________

28. С какой целью определяются механические свойства металлов?

__________________________________________________________________

29. Перечислите методы испытаний металлов и сплавов на твердость.

__________________________________________________________________

________________________________________________________________

30. Какой метод испытаний металлов и сплавов на твердость находит широкое применение в машиностроении?

__________________________________________________________________

________________________________________________________________

31. Перечислите новые способы повышения прочности металлов и сплавов.

 __________________________________________________________________

________________________________________________________________

 

Форма отчета: Оформить в тетрадях ответы на вопросы (указав только правильные ответы).

Рекомендуемая  литература и интернет – источники:

1.                                  Алаи С.И., Григорьев П.М., Ростовцев А.Н. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов пед. ин-тов / С.И. Алаи, П.М. Григорьев, А.Н.  Ростовцев; Под общ. ред. А.Н. Ростовцева. – М.: Просвещение, 1986. – 302 с.

2.                                  Технология конструкционных материалов: Учебник для вузов /А.М. Дальский. И.А. Арутюнова, Т.М. Барсукова и др.; Под общ. ред. А.М. Дальского. – М.: Машиностроение, 1985. – 448 с.

3.                                  Гуляев А.П. Металловедение: Учебник для втузов. – М.: Металлургия, 1986. – 541 с.

4.                                  Мозберг Р.К. Материаловедение: Учебное пособие. – М.: Высшая школа, 1991.– 448 с.

5.                                  Кузьмин Б.А., Самохоцкий А. И. и др. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы: Учебник для техникумов. – М.: Высшая школа, 1971. – 351 с.

6.                                  Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение (металлообработка): Учебник для нач. проф. образования. – М.: ПрофОбрИздат, 2002. – 240 с.

7.                                  Зуев В.М. Термическая обработка металлов. Учебник для уч-ся нач. проф. образования. – М.: Высшая школа, Изд. центр «Академия», 2001. – 288 с.

8.                                  Дак Э.. Пластмассы и резины. – М.: Мир, 1976. – 148 с

9.                                   Машиностроительная технологическая информация : www.texinfo.inf.ru;

10.                             Материаловедение – учебная дисциплина (учебное пособие):             www.kakProsto.ru;

11.                              Виды стали, их маркировки, таблицы расшифровки:  www.Navigator-Beton.ru;

12.                              Свойства металлов: www.cok.opredelim.com;

13.                             Курс лекций по материаловедению: www.narfu.ru

Критерии оценок:

ü «5» -  задание выполнено в соответствии с указанными  требованиями;

все ответы правильные.

ü «4» - задание выполнено в соответствии с указанными  требованиями, имеются небольшие неточности в ответах.

ü «3» - задание выполнено, но имеется 40 % неправильных ответов на поставленные вопросы.

ü «2» - задание выполнено с количеством неправильных - более 50%.