Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Материаловедение: Рабочая программа, методические указания и задания на контрольные работы

Голосов: 1

В данной рабочей программе указаны цели и задачи дисциплины "Материаловедение" по специальностям 260601 (1706), 260602 (2713), 220301 (2102). Приведена рабочая программа, которая в кратком и систематическом виде отражает содержание курса. После каждой темы приведены вопросы, позволяющие контролировать степень усвоения учебного материала. В пособии даны методические указания по изучению курса, выполнению контрольной работы. Приведены задания на контрольную работу. Электронная версия издания размещена на сайте доцента кафедры "Пищевые машины" МГУТУ Зуевой Ю.В. (<a href="http://zueva.sviblovo.ru" target="_blank">http://zueva.sviblovo.ru</a>).

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
         ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
  МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
             ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ
                  (образован в 1953 году)
_________________________________________________________

                 Кафедра пищевых машин




              Науменко А.М., Зуева Ю.В.

                 Материаловедение
   Рабочая программа, методические указания и задания на
  контрольные работы для студентов 1 курса сокращенной и
 3 курса полной форм обучения специальностей 260601 (1706),
      260602 (2713); для студентов 4 курса сокращенной и
      полной форм обучения специальности 220301 (2102)
        факультета «Управления и информатизации»




                       www.mgta.ru



                     Москва – 2009 г.


УДК 620.22
  Н 34

    © Науменко А.М., Зуева Ю.В. Материаловедение. Рабочая программа,
методические указания и задания на контрольные работы. – М., МГУТУ, 2009 г.




    В данной рабочей программе указаны цели и задачи дисциплины
«Материаловедение» по специальностям 260601 (1706), 260602 (2713), 220301
(2102). Приведена рабочая программа, которая в кратком и систематическом
виде отражает содержание курса. После каждой темы приведены вопросы,
позволяющие контролировать степень усвоения учебного материала. В пособии
даны методические указания по изучению курса, выполнению контрольной
работы. Приведены задания на контрольную работу.



    Рабочая программа предназначена для студентов-заочников 1 курса
сокращенной и 3 курса полной форм обучения специальностей 260601 (1706),
260602 (2713); для студентов 4 курса полной и сокращенной форм обучения
220301 (2102).




Автор: к.т.н., доц. Науменко Александр Мильевич
       к.т.н., доц. Зуева Юлия Викторовна



Рецензент: зав. кафедрой «Физики», к.т.н., проф. Дмитриева В.Ф.


Редактор: Свешникова Н.И.




© Московская государственная технологическая академия, 2009
109004, Москва, Земляной вал, 73
                                     2


                          Содержание


Введение ………………………………………………………………………. 4
1. Цели и задачи дисциплины ……………………………………………….. 4
2. Рабочая программа ………………………………………………………… 4
  2.1. Тема 1. Строение и основные свойства металлов и сплавов ………. 4
  2.2. Тема 2. Железоуглеродистые ………………………………………… 4
  2.3. Тема 3. Основы термической обработки стали ……………………... 5
  2.4. Тема 4. Легированные стали и сплавы …………………….………… 5
  2.5. Тема 5. Цветные металлы …………………………………………….. 5
  2.6. Тема 6. Неметаллические материалы ………………………………... 5
3. Методические указания по самостоятельному изучению
дисциплины …………………………………………………………………… 6
  3.1. Методические указания по теме 1 …………………………………… 6
  3.2. Методические указания по теме 2 …………………………………… 7
  3.3. Методические указания по теме 3 …………………………………… 9
  3.4. Методические указания по теме 4 ………………………………….. 11
  3.5. Методические указания по теме 5 ………………………………….. 12
  3.6. Методические указания по теме 6 ………………………………….. 13
4. Лабораторные работы ……………………………………………………. 15
5. Тематические планы ……………………………………………………… 15
6. Задания на контрольную работу ………………………………………… 19
7. Методические указания по выполнению контрольной работы ……….. 21
8. Список рекомендуемой литературы …………………………………….. 22




                                3


                                 Введение
    Курс «Материаловедение» развивает представления о строении и
свойствах металлических и неметаллических материалов.
    В результате изучения курса студент должен получить знания не только о
физической сущности явлений, связанных с изменением свойств материалов,
при их службе, но также уметь предвидеть возможные виды повреждений
изделий в процессе их изготовления и эксплуатации, правильно использовать
режимы     обработки     материалов,    обеспечивающие     их     высокую
эксплуатационную надежность.
    Кроме того, следует получить информацию о перспективных направлениях
совершенствования свойств конструкционных материалов.



                      1. Цели и задачи дисциплины
    Целью дисциплины является: обучение студентов: строению и свойствам
металлических и неметаллических материалов; методам подбора материалов,
используемых в различных технологических процессах; ознакомлению со
способами их обработки.

    Задачи дисциплины: освоение студентами строения и свойств
металлических и неметаллических материалов, основных понятий,
позволяющих оценивать достоинства и недостатки применения различных
материалов с учетом условий их службы, как при производстве, так и при
хранении пищевой продукции.



                          2. Рабочая программа

        2.1. Тема 1. Строение и основные свойства металлов и сплавов
     Металлы и их свойства. Типы кристаллических решеток. Анизотропия
кристаллов. Дефекты строения реальных металлов и сплавов. Кристаллизация и
полиморфные превращения металлов, строение твердых растворов и типы фаз,
присутствующих в сплавах. Основные виды диаграмм состояния
двухкомпонентных систем. Связь диаграмм состояния со свойствами сплавов
(закон Курнакова). Аморфизация материалов.


                  2.2. Тема 2. Железоуглеродистые сплавы
    Железо и его соединения с углеродом. Диаграммы состояния железо-
цементит и железо-графит. Структурные составляющие железоуглеродистых
сплавов. Классификация и маркировка железо-углеродистых сплавов.
    Механические свойства сталей и чугунов. Методы их определения.
Влияние методов получения стали и чугуна на их свойства.
                                    4


              2.3. Тема 3. Основы термической обработки стали
    Виды термической обработки. Превращения при нагреве и охлаждении.
Виды отжига и нормализации стали. Технология закалки и отпуска стали и их
виды. Закаливаемость и прокаливаемость стали. Дефекты возникающие при
термической обработке стали. Типовые контролируемые атмосферы, химико-
термическая обработка стали (цементация, цианирование, азотирование),
термомеханическая обработка стали. Диффузионная металлизация стали. Виды
поверхностной закалки стали (газоплазменная, с нагревом ТВЧ, электронно-
лучевая, лазерная). Остаточные напряжения при термической обработке и их
влияние на статическую и усталостную прочность стали. Техника безопасности
при термической обработке стали.


                 2.4. Тема 4. Легированные стали и сплавы
    Влияние легирующих элементов на строение и свойства стали.
Маркировка легированных сталей и их классификация по структуре. Области
применения конструкционных и инструментальных легированных сталей.
Стали и сплавы с особыми свойствами – нержавеющие, жаропрочные,
магнитные, сплавы с особыми физическими свойствами. Мартенситно-
стареющие стали. Порошковые сплавы в том числе антифрикционные и
металлокерамические сплавы, САПЫ, их составы свойства и области
применения. Композиционные материалы, их свойства и области применения.
Перспективные пути повышения технических характеристик сплавов.


                       2.5. Тема 5. Цветные металлы
    Маркировка цветных сплавов. Ограничения их использования в пищевой
промышленности. Старение цветных сплавов. Термическая обработка цветных
сплавов. Коррозионная устойчивость бронз и латуней.


                    2.6. Тема 6. Неметаллические материалы
    Классификация неметаллических материалов. Технические свойства
неметаллических материалов. Основы строения полимерных материалов.
Типичные термопластичные и термореактивные полимеры и пластмассы.
Газонаполненные пластики: пластифицированные пластики с твердым
наполнителем, порошковым, волокнистым, листовым. Свойства и области
применения пластиков в технике. Органическое стекло. Способы переработки
пластмасс в изделия. Резина, ее строение, свойства и области применения.
Термомеханическая кривая.
    Экономическая эффективность применения в технике различных
неметаллических материалов, в том числе абразивных.




                                    5


  3. Методические указания по самостоятельному изучению дисциплины
                       3.1. Методические указания по теме 1
     Для правильного выбора марок металлов и сплавов при проектировании
машин необходимо знать их основные технологические и эксплуатационные
свойства, которые обусловлены межатомными связями. Свободная энергия
металла в условиях равновесия минимальна при упорядоченном расположении
частиц, то есть в кристаллическом состоянии. Следует изучить основные типы
кристаллических решеток, а также влияние дефектов на свойства металлов.
     Необходимо обратить особое внимание на линейные дефекты строения
кристаллов - дислокации. Важно усвоить различия в кристаллизации чистых
металлов и сплавов, обратив внимание на такие понятия как фаза, компонент,
система. Равновесие компонентов в различных фазах сплава достигается при
минимальной свободной энергии системы. Свободная энергия растворов
твердых кристаллов меньше суммы свободных энергий исходных компонентов
и устойчивыми являются сплавы, а ее чистые компоненты.
     Следует обратить особое внимание на зависимость свойств
кристаллических тел от направлений их измерения, т.е. на анизотропию. Не
следует путать это понятие с аллотропией. Явления аллотропии связано со
взаимными превращениями различных кристаллических форм вещества,
устойчивых в различных интервалах температур. В результате фазовых
превращений формируется структура сплава, под которой понимают и фазовое
и зеренное строение. Поэтому необходимо разобраться в различии понятий
структуры металлов и кристаллографических форм кристаллов.
     Атомы компонентов взаимодействуют с поглощением или выделением
энергии. Температурная и концентрационная устойчивость растворов зависит
от этого взаимодействия. Необходимо уяснить понятия о растворах замещения,
внедрения и вычитания, уметь отличать механические смеси и химические
соединения от твердых растворов. Твердый раствор представляет собой смесь
атомов, а не кристаллов. Химические соединения в металлических сплавах
сложны и могут растворять в себе все компоненты сплава, в том числе и те, из
которых состоит соединение, и поэтому они часто не имеют постоянного
состава. Главной отличительной чертой химического соединения является
образование нового типа или размеров кристаллической решетки. Если
содержание какого-либо компонента в сплаве более предела его растворимости,
то сплав может распадаться на смесь фаз. Такие механические смеси
образуются как практически чистыми металлами, так и твердыми растворами и
химическими соединениями. Смеси фаз в сплавах отличаются большой силой
взаимного сцепления. Студенты должны хорошо уяснить основные типы
диаграмм состояния двухкомпонентных систем, понять методы их построения,
смысл линий на диаграммах, уметь определять критические точки на них и
уяснить зависимость свойств сплавов от их состава (процентного содержания).
Следует также уяснить, что при полном беспорядке в расположении атомов в
материале формируются аморфное состояние.



                                     6


                      Вопросы для самопроверки по теме 1:
1. Опишите особенности внутреннего строения металлов.
2. Назовите типы элементарных кристаллических ячеек (решеток), в которых
    кристаллизуется большая часть металлов.
3. Что такое параметры кристаллической решетки, базис, координационное
    число, коэффициент компактности?
4. Что такое переохлаждение и как протекает кристаллизация чистых
    металлов во времени?
5. Что такое критические точки, наблюдаемые при охлаждении
    (кристаллизации) чистых металлов и сплавов? Найдите их на кривой
    охлаждения и объясните их физический смысл.
6. Как влияет степень переохлаждения на структуру металла при
    кристаллизации?
7. В чем состоит сущность вторичной кристаллизации? Рассмотрите
    аллотропические превращения железа и других металлов.
8. Чем объясняется анизотропия поликристаллических материалов?
9. В чем заключается основное отличие кристаллизации сплавов от
    кристаллизации чистых металлов?
10. Что определяют линии ликвидуса на диаграмме состояния и как они
    строятся?
11. По диаграмме состояния Fе-С постройте и проанализируйте кривые
    охлаждения и нагрева сплавов (для трех составов), с применением правила
    фаз.
12. Как зависят свойства сплавов от их состава?


                    3.2. Методические указания по теме 2.
    Железоуглеродистые сплавы (стали и чугуны) являются основными
металлическими материалами, используемыми в промышленности. Углерод
оказывает решающее влияние на все свойства сплавов. Изучение раздела
следует начать с рассмотрения аллотропических превращений железа, затем
освоить и выучить диаграмму состояния Fе-С наизусть. Переходя к изучению
других диаграмм необходимо учесть, что линии, расположенные ниже линии
солидус, отражают превращения в твердом состоянии, т.е. указывают на
протекание процессов вторичной кристаллизации (перекристаллизации). По
диаграмме состояния Fе-С нужно уметь количественно определять изменения
растворимости углерода в различных фазах, а также знать области
существования и границы сосуществования отдельных фаз и фазовых смесей.
По диаграмме состояния нужно научиться определять соотношение количеств
отдельных фазовых и структурных составляющих, используя правило рычага.
Применение этого правила позволяет не только уяснить структурные различия
сплавов, но и оценивать их свойства. Далее следует усвоить влияние углерода и
постоянных примесей на прочность и пластические характеристики сталей и
чугунов, а также принципы классификации углеродистых сталей и чугунов (по
структуре, фазовому составу, качеству и назначению), обозначение их марок.
                                      7


Необходимо также научиться определять по структуре сталей их примерный
состав и по составу их структуру.
     Следует иметь в виду, что свойства стали в значительной степени зависит
от методов ее выплавки и разливки, которые определяют не только химический
состав, и содержание неметаллических включений, но так же и ее структуру.
     Студенту необходимо изучить свойства железо-углеродистых сплавов и
виды испытаний, используемых для их определения. Необходимо запомнить
обозначения прочности, пластичности и других свойств металлов и сплавов, а
так же знать методы их определения и размерности.
     Литература: [2,с. 118-140]

                         Вопросы для самопроверки по теме 2:
13.   Объясните, какие превращения происходят при нагревании и охлаждении
      чистого железа. Назовите критические точки железа.
14.   Начертите диаграмму железо-графит и железо-цементит. Покажите на этих
      диаграммах линии ликвидуса и солидуса. Поясните процессы,
      происходящие при кристаллизации и перекристаллизации сплавов
      (первичной и вторичной кристаллизации).
15.   Охарактеризуйте основные свойства фазовых составляющих железо-
      углеродистых сплавов.
16.   Пользуясь диаграммой состояния железо-графит, определите температуру
      начала и окончания процессов первичной кристаллизации сталей марок 30,
      50, У10 и чугунов с содержанием углерода 3 и 4%.
17.   Какую структуру будут иметь стали марок 20, 30, 60, У8, У12 после их
      медленного охлаждения?
18.   Объясните влияние углерода и постоянных примесей стали на ее структуру
      и свойства.
19.   Приведите виды классификации углеродистых сталей. Каковы принципы
      их маркировки?
20.   От каких факторов зависит графитизация чугунов? Приведите маркировку
      серых, ковких и высокопрочных чугунов.
21.   Для чего вводятся в стали легирующие элементы? Приведите
      маркировочные обозначения наиболее употребительных сталей.
22.   Приведите классификацию чугунов по структуре металлической основы.
      Охарактеризуйте       чугуны    марок     СЧ18,    КЧ33-6,     КЧ60-3,
      ВЧ 40-10, АСЧ-2.
23.   Приведите примеры длительных испытаний механических свойств
      металлов и сплавов.
24.   Опишите основные виды испытаний механических свойств металлов.
25.   Какие Вы знаете методы неразрушающего контроля качества изделий из
      металлов и сплавов?
26.   Опишите основные характеристики механических свойств металлов и их
      влияние на назначение сталей.
27.   Опишите способы определения длительной прочности и циклической
      выносливости материалов.
                                      8


28. Как влияют примеси на эксплуатационные и технологические свойства
    сталей?
29. Изложите методы определения твердости металла по Бринеллю, Роквеллу
    и Виккерсу и области применений этих методов.


                       3.3. Методические указания по теме 3.
     Термическая обработка материалов производится с целью изменения их
структуры и свойств. Она складывается из регламентированных режимов
нагрева до заданной температуры, выдержки и последующего охлаждения. При
нагреве сталей происходит изменение их фазового состава и структуры.
Изменения свойств возникают в связи с различием в видах превращений,
успевающих протекать при нагреве и охлаждении. Особое внимание следует
обратить на изотермический распад аустенита в перлитоподобные структуры и
на закономерности превращения перлитных структур в аустенит.
Изотермические      диаграммы     позволяют    установить    связь   между
температурными условиями превращения и формирующейся структурой.
     Для практических целей следует изучить основные способы термической
обработки: отжиг, нормализацию, закалку и отпуск стали. При этом следует
ознакомиться и с оборудованием, применяемым в термических цехах. Знание
диаграммы состояний и диаграмм изотермического превращения позволит
установить структуру, получаемую в результате каждого из видов термической
обработки сплавов, а по ней, с помощью закона Курнакова, оценивать и
свойства стали, приобретаемые ею после термообработки.
     Свойства стали не одинаковы в различных сечениях образца или детали.
Поэтому     следует    усвоить    различия    между    закаливаемостью   и
прокаливаемостью стали. При термической обработке стали могут возникать
различные дефекты: перегрев и пережог стали, селективное окисление
компонентов, деформации и трещины. Эти явления обусловлены
несоблюдением рекомендуемых и регламентированных режимов обработки.
     Химико-термическую обработку металлов (ХТО) используют в тех
случаях, когда необходимо обеспечить заданные различия свойств изделия на
его поверхности и в объеме. В результате ХТО сталей повышается прочность и
твердость поверхностных слоев, износоустойчивость, усталостная прочность,
окалиностойкость, кислотоупорность.
     При рассмотрении технологии ХТО следует иметь в виду, что насыщение
может происходить и в твердой, и в жидкой, и в газовой средах. Следует
обратить внимание на наиболее удачные варианты для различных марок стали.
     Изменения свойств поверхностных слоев изделий можно достичь также
поверхностной закалкой и наклепом. Необходимо рассмотреть и такие виды
термической обработки стали как ВТМО и НТМО, а также основные виды
термической обработки изделий после ХТО.
     Техника безопасности при осуществлении различных видов термической
обработки металлических изделий и полуфабрикатов состоит в строгом
выполнении        соответствующих        производственно-технических     и
                                    9


технологических инструкций, определяющих порядок выполнения различных
операций (особенно жесткие требования предъявляются к приемам работы при
загрузке и выгрузке изделий).
     Литература: [2,с. 145-203]

                         Вопросы для самопроверки по теме 3:
30.   Какие превращения имеют место при термической обработке стали, и из
      каких этапов состоят основные виды термической обработки?
31.   Как нагревается сталь в процессе термической обработки, и какие
      превращения происходят в сплавах с различным содержанием углерода?
32.   Охарактеризуйте кинетику превращений перлита при нагреве и опишите
      стадии этих превращений.
33.   В чем состоит сущность изотермического превращения аустенита, и
      каковы возможности управления структурой стали?
34.   Каковы различия свойств структурных составляющих перлита, сорбита,
      троостита и мартенсита?
35.   В чем заключается сущность мартенситного превращения и почему
      превращение аустенита в мартенсит называется бездиффузионным?
36.   Опишите процессы отжига, их назначение, сопутствующие им
      структурные превращения и изменения размеров деталей.
37.   Опишите цели и технологию нормализации стали.
38.   Определите температуру нагрева под закалку для следующих марок стали:
      30, 50, У9, У13 и отметьте превращения, происходящие при их нагреве и
      охлаждении.
39.   Опишите виды закалки и области их применения. Какое значение имеет
      прокаливаемость стали, и от чего она зависит?
40.   Опишите виды отпускной хрупкости и способы устранения.
41.   Какие дефекты возникают при термической обработке? Как предупредить
      эти дефекты? Каковы возможности их устранения?
42.   Как     производятся    цементация?     Какие   свойства   приобретает
      поверхностный слой стали после цементации, закалки, отпуска?
43.   В чем заключается сущность процесса азотирования? Опишите связь
      структуры диффузионного слоя с диаграммой железо-азот.
44.    Рассмотрите процессы цианирования и их особенности. Как влияет
      температура обработки на состав цианированного слоя?
45.   Опишите процессы диффузионной металлизации и их назначения.
46.   Какие существуют способы поверхностного упрочнения стали? Опишите
      преимущества поверхностной закалки перед объемной.
47.   Охарактеризуйте методы термомеханической обработки (ТМО) стали и
      назовите области их применения.
48.   Назначьте термическую обработку зубил. Опишите превращения,
      структуру и твердость стали У7 после термообработки.
49.   Шестерни из стали 45 закалены: первая от температуры 730оС и вторая –
      от температуры 830оС. Сравните их эксплуатационные свойства после
      отпуска.
                                     10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика