Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение (методы анализа, лабораторные работы и задачи)

Подождите немного. Документ загружается.

Буква М в конце обозначения марки

означает,

что сплав мелко-

зернистый и имеет более высокие твердость и износостойкость при

меньшей прочности.

2. МАТЕРИАЛЫ ВЫСОКОЙ ТВЕРДОСТИ (HV

2000—2500)

Их

используют как абразивные материалы для шлифования

сталей, ч угу

нов

других

металлов в виде зерен (монокристаллов),

закрепляемых в специальных абразивных

кругах.

Эти материалы

хрупки (прочность при изгибе не превышает

30—40

кгс/мм

). В дан-

ном

случае

повышенная хрупкость — положительное свойство; при

шлифовании

твердые зерна скалываются, а не деформируются (не

сминаются) и остаются острыми и пригодными для дальнейшего

шлифования.

Из

материалов этой группы чаще применяют:

круги с электрокорундом для шлифования сталей; его твердость

2200—2500;

прочность при изгибе ~8 кгс/мм

и температура

размягчения

~1800°

С.

круги с карбидом кремния главным образом для шлифования

цветных металлов.

Эти материалы менее пригодны для шлифования сталей высокой

твердости, содержащих в

структуре

очень твердые фазы-упрочни-

тели, главным образом карбид ванадия (МеС) с твердостью HV

1800—2000.

При шлифовании таких материалов ускоренно изна-

шивается абразивной круг: он «засаливается» мелкими частицами

шлифуемого материала. Тогда в шлифуемой поверхности сильно

повышается температура и возникают «прижоги» — участки с по-

ниженной

твердостью.

3. МАТЕРИАЛЫ ОСОБО ВЫСОКОЙ ТВЕРДОСТИ (HV

8000—10

000)

Алмазы (природные и искусственные) имеют наиболее высокие

твердость (HV 10 000) и модуль упругости (80 000 кгс/мм

). Но

прочность алмазов при изгибе пониженная (30 кгс/мм

). Алмазы

устойчивы до

800°

С, когда наступает обугливание. Кроме того,

алмаз при резании с повышенной скоростью, сопровождающимся

нагревом в участках резания выше

800°

С, взаимодействует со

сталью.

Алмазы применяют главным образом для резания особо твердых

износостойких материалов: стекла, фарфора и шлифования в спе-

циально

изготовляемых

кругах

со связкой — чистового для сталей

более эффективного для

других

металлов.

Кубический нитрид бора (боразон, эльбор) — новый и перспек-

тивный

материал, изготовляемый по специальной технологии (при

высоких давлениях

), имеет немного меньшую твердость (HV

8500—

Его производят в виде мелких монокристаллов, а также и поликристалличе-

кого материала с размерами частиц до 5—6 мм.

441

4»

Таблица

ХАРАКТЕРНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ

Налменонанис материали

Полиэтилен

Полипропилен

Фторопласт 3

Поликарбонаты

Полиамиды

В1

кгс/мм

2—3

6—7

кг/см

2 000

6 000

5 000

000—

2 500

МАТЕРИАЛЫ

Плотность,

г/см

0,9

1,17—1,22

1,1

ПРИМЕНЯЕМЫЕ

МАШИНОСТРОЕНИИ

Другие

свойства

Стойкость в кислотах (кроме азот-

ной

и перекисей)

Стойкость в растворах кислот

щелочей

Отсутствие текучести на холо-

ду, нагрев не выше +70° С

Стойкость в смазочных маслах

(разрушаются щелочами бензолом)

Низкий

коэффициент трения (0,055),

два раза ниже, чем у стали; стой-

кость в маслах, бензине, щелочах

Назначение-

Трубы, баки, краны

Трубы, клапаны, детали

насосов

То же

Резьбовые соединения

Подшипники,

зубчатые

передачи, втулки, про-

кладки

Текстолиты

Древеснослоистые (ДСП)

Стекл отекстол иты

На

основе фенолальдегидных

смол марок

К-18-56

К-8-56

(по

ГОСТ

5689—66)

На

основе фенолксиленоло-

формальдегидных смол марок

К-17-82,

К-18-82

На

основе фенолформальдегид-

ных смол марок КФ-3, КФ-ЗГ

СЛОИСТЫЕ ПЛАСТМАССЫ

6—10 3 800

1,7—1,9

Низкий коэффициент трения;

поставляется в плитах

25—30

— 1,5 То же, стойкость в маслах; низкий

коэффициент

трения:

0,09—1,1

со

сталью и

0,13—0,14

чугуном

22—24,5

130 000

1,6—1,9

Относительно высокая теплостой-

кость (до

300°

С); анизотропия

свойств, зависящая от структуры

стеклянной

ткани

КОМПОЗИЦИОННЫЕ

ТЕРМОРЕАКТИВНЫЕ ПЛАСТМАССЫ

2-8

3,0

2,7

1,75

1,5

1,7—1,85

Стойкость в воде, влажном кли-

мате, кислотах и при темпера-

турах

от —40 до

+120°

Повышенные

антифрикционные

свойства

Повышенные

механические свой-

ства, жаростойкость до

+150°

Шестерни,

подшипники,

вкладыши

То же, детали авиацион-

ных конструкций

Крупногабаритные кон-

струкции для длительной

работы при

200°

С и крат-

ковременной

при

300°

Резьбовые соединения

Подшипники

скольжения

Тормозные колодки ваго-

нов,

кранов, диски

9000)

при примерно одинаковых с алмазом

модуле

упругости и

прочности.

Однако этот материал устойчив против окисления до

очень высоких температур

(~1400°

С) и не взаимодействует с обра-

батываемыми материалами (в том числе со сталью) при значительном

нагреве, возникающем при шлифовании и резании.

Кубический нитрид бора используют для шлифования сталей

высокой

твердости со снятием слоя достаточной толщины. В отличие

от эффектов, наблюдаемых при использовании рассмотренных выше

абразивных материалов, шлифование нитридом бора не сопровож-

дается значительным перегревом, а следовательно, и повреждением

шлифованного

слоя, а получаемая чистота этого слоя на 1—3 класса

выше.

Кубический нитрид бора (в виде поликристалла) пригоден

также для резания ряда материалов.

ГЛАВА

XXIX

ПОЛИМЕРНЫЕ

МАТЕРИАЛЫ

В промышленности полимерные материалы более широко ис-

пользуют для электротехнических целей (вследствие особенностей

их физических свойств), в химии, в строительстве. В машинострое-

нии

эти материалы применяют для некоторых деталей машин и

различных узлов в конструкциях, не испытывающих повышенных

нагрузок.

При

выборе полимерных материалов для деталей машин надо

учитывать следующие особенности их свойств.

Преимущества полимерных материалов: малая плотность

(1,5 г/см

), значительно меньшая, чем у металлов; низкий

коэффи-

циент

трения и хорошая химическая стойкость против ряда реаген-

тов, в условиях воздействия которых используются многие детали

(масло,

бензин, влага вода и т. д.). Вместе с тем изготовление из

них многих деталей значительно проще, чем из металлов.

основным недостаткам полимерных материалов, которые учи-

тываются при использовании их в машиностроении, надо отнести:

низкий

модуль упругости

(20—2000

кгс/мм

вместо

7000,

11 000

20 000 кгс/мм

) у алюминия, титана и стали соответственно, не-

достаточная устойчивость и способность сохранять форму

даже

условиях невысокого нагрева (не выше

70—80°

С для большинства

полимеров),

пониженная способность воспринимать ударные на-

грузки и небольшая износостойкость. Предел прочности при растя-

жении

(а

) полимерных материалов не превышает 5—10 кгс/мм

лишь у некоторых полимеров составляет

25—30

кгс/мм

Вследствие этих причин полимеры наиболее пригодны для

дета-

лей,

работающих при небольших напряжениях, когда требуется

низкий

коэффициент трения (некоторые подшипники, зубчатые

колеса -для бесшумных передач), малая масса (крышки и т. п.) или

стойкость против коррозии и прозрачность (некоторые баки и трубо-

проводы).

Более характерные материалы, применяемые в машино-

строении,

указаны в табл. 45.

МЕТОДИЧЕСКИЕ

УКАЗАНИЯ

Курс материаловедения должен дать изучающим не только

сообщаемые в лекциях знания об основных закономерностях, опре-

деляющих строение и свойства металлических сплавов и полимер-

ных материалов, но и научить их выполнять наиболее часто приме-

няемые

в технике испытания этих материалов и работать с основ-

ными

испытательными машинами, а также самостоятельно поль-

зоваться технической, в том числе справочной, литературой для

выбора основных технических материалов и назначения режимов

их обработки в зависимости от типичных условий эксплуатации

деталей.

Опыт преподавания показал, что большой материал курса усваи-

вается

лучше

и прочнее, если студенты наряду с выполнением обычно

принятых лабораторных работ учатся

«чтению»

диаграмм состояния

типичных

структур

металлов и приобретают навыки в характе-

ристике и оценке свойств многочисленных и разнообразных ма-

териалов.

В соответствии с этим в настоящей книге предусмотрены три

формы

занятий со студентами: 1) лабораторные экспериментальные

работы, некоторые из которых представляют небольшое по объему

исследование; 2) ознакомление и разбор в лаборатории характерных

микроструктур сплавов и определение расчетным путем их некото-

рых свойств; 3) выполнение домашних заданий.

Лабораторные

работы

знакомят с практическим применением

основных методов исследования строения и свойств металлов и

других

машиностроительных материалов и использованием совре-

менных приборов. Эти работы приведены в книге непосредственно

после изложения содержания и назначения соответствующего ме-

тода исследования.

Как

правило, лабораторные работы составлены таким образом,

чтобы они были индивидуальными для каждого

студента

и выпол-

нялись

самостоятельно. Только по некоторым лабораторным работам

вследствие особенностей их проведения (работа с дилатометром,

закалка

и отпуск стали и термическая обработка дуралюмина) пре-

дусмотрено выполнение группой студентов общей задачи. Однако

книге подобные задачи построены так, что каждый

студент

отдель-

ную часть задания выполняет самостоятельно. Кроме того, в этих

задачах по экспериментальным данным, полученным каждым сту-

дентом в отдельности, предусмотрено составление общего графика

или

таблицы, изучение которых позволяет определить или наблю-

дать основные закономерности в изменении свойств материала.

444

В большинстве лабораторных работ предусмотрено одновременное

исследование или рассмотрение, по крайней мере,

двух

образцов

или

двух

сплавов, отличающихся по свойствам. При таком построе-

нии

работы возможно сравнение полученных результатов, что необ-

ходимо для лучшего понимания теоретического и эксперименталь-

ного материала.

Наряду с экспериментальными работами в книге предусмотрены

задачи расчетного характера.

В книге не указана форма, по которой студенты должны пред-

ставлять результаты работы. Сдача работ по готовой форме снижает

самостоятельность в их выполнении. Методически более правильно,

чтобы студенты в процессе выполнения лабораторных заданий

научились самостоятельно обрабатывать результаты опыта в нагляд-

ной

форме. Это позволит привить студентам навыки самостоятельной

исследовательской работы.

Во вводных объяснениях, приведенных в книге к лабораторным

работам по отдельным разделам курса,

отсутствуют

подробные

инструкции,

детализирующие технику выполнения задания на

отдельных приборах. Такие инструкции не всегда оправдываются

методически, особенно в высших учебных заведениях; кроме того,

они

изменяются в зависимости от типа лабораторного оборудо-

вания.

Равным

образом, при выполнении большинства лабораторных

работ не требуется выполнения отдельных технических операций

(шлифование

и полирование микрошлифов, предварительная тер-

мическая

обработка, например, закалка образцов, предназначен-

ных для изучения процессов отпуска, и т. п.). Такие операции, не

сообщая студентам новых навыков,

требуют

дополнительной за-

траты времени.

Задания

по лабораторным работам рекомендуется выдавать

заранее (например, за неделю до начала соответствующего занятия)

для того, чтобы студенты могли предварительно ознакомиться и

подготовиться по книге с соответствующими методами анализа.

Задачи

по

чтению

разбору

наиболее характерных микрострук-

тур сплавов и установлению качественной зависимости

между

структурой, составом и свойствами сплавов даны для наиболее ши-

роко

применяемых в промышленности углеродистых и легированных

сталей и

чугунов

(гл. XVIII), медных и алюминиевых сплавов

(гл. XXI).

Целесообразно выдавать

студенту

не менее

двух

задач: одну

по

сталям или

чугунам

и одну по цветным металлам. Решение должно

быть выполнено в отведенное для лабораторных работ время и

представлено в письменном виде. На его выполнение при условии

слушания лекций, чтения учебника и предварительного выполнения

лабораторных работ по макро- и микроанализу (гл. II и III) тре-

буется не более 10—15 мин.

Задания

по

разбору

диаграмм

состояния

выбору

марки

(состава)

материала

выполняются в виде самостоятельной домашней работы.

В книге приведены две группы этих заданий:

446

1. Задачи по диаграммам состояния металлических сплавов:

двойных (в главе IX) и тройных, для обучающихся по расширен-

ному курсу (в главе X). Эти задачи даны применительно к реальным

системам наиболее типичных сплавов; такое построение задачи пока-

зывает

студенту,

что для решения важных практических вопросов,

связанных с применением металлических сплавов в технике, необ-

ходимо знание общих закономерностей теории сплавов.

Целесообразно выдавать

студенту

одну

задачу

по разбору диа-

грамм состояния. Он должен сначала вычертить диаграмму и по-

строить кривые охлаждения для

трех

сплавов, указанных в задаче.

Соответствующие диаграммы состояния приведены в книге в виде

фазовых диаграмм, так как именно они характеризуют равновесное

состояние сплавов. Для выполнения задачи

студент

должен по-

строить

структурную

диаграмму, что необходимо для характери-

стики

свойств сплавов, поскольку они полнее определяются струк-

турой, а не фазовым составом. Опыт показывает, что большие

труд-

ности

возникают в выполнении именно этой части задания, а в ряде

случаев в определении типа (природы) превращений, которые

могут

протекать в том или ином сплаве из числа заданных, и в целесооб-

разности их термической обработки. Для методической помощи

студенту

на с. 208 приведено подробное решение одной типовой

задачи.

Задачи

следует

выдавать после прочтения в лекциях раздела

диаграммах состояния основных типов.

На

выполнение задачи в целом и ее окончательное оформление

требуются примерно два-три часа домашней работы.

2. Задачи по выбору составов сплавов и их обработки в зависи-

мости от условий эксплуатации в технике характерных деталей,

конструкций

и инструментов.

Длительный опыт преподавания курса показал, что выполнение

этих задач (подобно курсовым проектам и работам по другим дисцип-

линам)

сильно повышает качество подготовки и общий уровень зна-

ний

студентов,

учит

их пользоваться справочной литературой, уме-

нию

самостоятельно разобраться в большем числе сплавов и

пони-

манию

курса.

Поэтому выполнение подобных задач чрезвычайно важно. Сту-

дентам, обучающимся по сокращенной программе, необходимо вы-

давать не менее одной задачи из главы

XXIII

по сталям,

чугунам

неметаллическим материалам. При обучении по расширенной

программе надо выдавать каждому

студенту

по три задачи: одну

по

сталям и

чугунам

из главы XXIII, одну по легированным сталям

специального назначения из главы

XXIV

и одну по инструменталь-

ным

сталям (глава XXV) или по сплавам цветных металлов

(глава

XXVI).

Для методической помощи студентам по этому разделу в книге

введена дополнительная часть (шестая), в которой в систематизи-

рованном

виде указаны наиболее характерные металлические сплавы

полимерные материалы и область применения их в технике. После

выбора сплава по данным этой главы

студент

быстрее находит в

учеб-

446

нике

и в справочной литературе нужные ему сведения о структуре,

обработке и свойствах соответствующего материала.

Наконец,

для дополнительной методической помощи

студенту

главе

XXII

приведены указания о порядке решения задачи и на

с. 352 дано подробное примерное решение одной типовой задачи по

выбору конструкционной стали, на с. 369 по выбору инструмен-

тальной стали, а на с. 377 задачи по цветным металлам.

Конкретные

задачи целесообразно выдавать студентам к моменту

начала чтения раздела лекций в легированных сталях. От студентов

надо требовать, чтобы они сразу при выдаче задания записали

содержание своей задачи. Это повышает уровень слушания и усвое-

ния

последующих лекций.

Решение

задачи

следует

давать в письменном виде на

двух-трех

страницах. Как и в предыдущем

случае

(при решении задачи по

диаграммам состояния), оправдывается предварительная подго-

товка задачи с краткой записью в черном виде для консультации

с преподавателем.

При

выполнении этих условий на выполнение одной задачи рас-

ходуется

не более 2—4 ч домашнего времени.

Ответы на задачи в книге не даны: в этом

случае

не

следует

про-

водить аналогии с решением многих задач по дисциплинам матема-

тического или физического цикла, окончательный ответ на которые

указывает правильное решение, но еще не раскрывает

хода

решения.

Кроме

того, в материаловедении, особенно при выборе металличе-

ского сплава и его обработки, возможно несколько разных решений

одной

и той же технической задачи.

Юлий

Александрович Геллер,

Александр Григорьевич Рахштадт

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Редактор издательства А. А. Сальников

Художественный редактор Д. В. Орлов

Технический редактор Е. Б. Вайнштейн

Корректоры: В. Б. Левин, Е. В. Якиманская

Переплет художника В. 3. Казакевича

Сдано в набор 8/1V 1974 г. Подписано в печать 24/ХП 1974 г.

Т-19888. Формат бумаги бОХЭО'Л». Бумага типоррафская № 2.

Печ.

л. 28+1 вкл. 0,25. Уч.-изд. л.

32,36

в т. ч. вклейка 0,17.

Тираж 60 000 (1-й завод 1—30 000) экз. Заказ № 950.

Изд.

Л» 2746. Цена 1 р. 34 к.

Издательство «Металлургия»

119034,

Москва, Г-34, 2-й Обыденский пер., 14

Ленинградская типография № 6 Союзполиграфпрома

при

Государственном комитете Совета Министров

СССР

по

делам издательств, полиграфии и книжной торговли

193144,

Ленинград, С-144, ул. Моисеенко, 10