МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ (металлообработка)

НАЧАЛЬНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Е. Н. СОКОЛОВА
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
(металлообработка)
РАБОЧАЯ ТЕТРАДЬ
Рекомендовано
Федеральным государственным учреждением
«Федеральный институт развития образования»
в качестве учебного пособия для использования
в учебном процессе образовательных учреждений,
реализующих программы начального
профессионального образования
Регистрационный номер рецензии 208
от 28 апреля 2009 г. ФГУ «ФИРО»
6-е издание, стереотипное
УДК 620.22(075.32)
ББК 30.3я722
С594
Р е ц е н з е н т ы:
зам. директора по учебной работе ГОУ СПО «Политехнический колледж № 13» г. Москвы
Т. В. Черемухина;
преподаватель высшей категории ГОУ СПО «Политехнический колледж № 8
им. И. Ф. Павлова» г. Москвы Б. Л. Набутовский
С594
Соколова Е. Н.
Материаловедение (металлообработка) : раб. тетрадь : учеб. пособие
для нач. проф. образования / Е. Н. Соколова. — 6-е изд., стер. — М. : Издательский центр «Академия», 2013. — 96 с.
ISBN 978-5-4468-0053-7
Представленные задания развивают техническое мышление, прививают умение самостоятельно получать необходимые знания с помощью справочной литературы. Иллюстрации помогают учащимся ответить на поставленные вопросы и запомнить учебный материал.
Тетрадь позволяет самостоятельно проработать ту или иную тему и принять правильное решение в процессе практических занятий.
Рабочая тетрадь может быть использована при изучении общепрофессиональной дисциплины «Основы материаловедения» в соответствии с ФГОС НПО для профессий, связанных с металлообработкой.
Для учащихся учреждений начального профессионального образования.
УДК 620.22(075.32)
ББК 30.3я722
n!,г,…=л-м=*е2 д=……%г% ,ƒд=…, "л е2“ “%K“2"е……%“2ью
hƒд=2ель“*%г% це…2!= &`*=дем, [, , ег% "%“C!%,ƒ"еде…,е люK/м “C%“%K%м
Kеƒ “%гл=“, C!="%%Kл=д=2ел ƒ=C!е?=е2“
ISBN 978-5-4468-0053-7
© Соколова Е. Н., 2007
© Образовательно-издательский центр «Академия», 2012
© Оформление. Издательский центр «Академия», 2012
Уважаемый читатель!
Данное учебное пособие является частью учебно-методического комплекта
по дисциплинам общепрофессионального цикла для технических профессий.
Учебное пособие предназначено для изучения общепрофессиональной дисциплины «Основы материаловедения».
Учебно-методические комплекты нового поколения включают в себя традиционные и инновационные учебные материалы, позволяющие обеспечить изучение общеобразовательных и общепрофессиональных дисциплин и профессиональных модулей. Каждый комплект содержит учебники и учебные пособия,
средства обучения и контроля, необходимые для освоения общих и профессиональных компетенций, в том числе и с учетом требований работодателя.
Учебные издания дополняются электронными образовательными ресурсами.
Электронные ресурсы содержат теоретические и практические модули с интерактивными упражнениями и тренажерами, мультимедийные объекты, ссылки
на дополнительные материалы и ресурсы в Интернете. В них включен терминологический словарь и электронный журнал, в котором фиксируются основные
параметры учебного процесса: время работы, результат выполнения контрольных и практических заданий. Электронные ресурсы легко встраиваются в учебный процесс и могут быть адаптированы к различным учебным программам.
Учебно-методический комплект разработан на основании Федерального государственного образовательного стандарта начального профессионального
образования с учетом его профиля.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Цель предлагаемой рабочей тетради — способствовать изучению строения и
свойств материалов и сплавов, что в дальнейшем поможет учащимся при работе
на производстве.
В рабочей тетради приведены задания, позволяющие наиболее полно проработать ту или иную тему. Материал представлен в порядке изучения тем на
уроках.
Для более глубокого понимания материала предусмотрены разноуровневые
задания, чтобы каждый учащийся мог справиться с заданием и получить соответствующую оценку. Сначала формулируются основные понятия, а затем предлагаются задачи для решения.
Задания, представленные в рабочей тетради, помогают закрепить материал,
изученный на уроках, а затем применить полученные знания на практике, прививают умение пользоваться справочной литературой.
Рабочая тетрадь предназначена для организации самостоятельной работы
учащихся и проведения контроля их знаний преподавателем.
ГЛАВА 1
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ,
СВОЙСТВАХ И МЕТОДАХ ИСПЫТАНИЙ
МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
1. Какие материалы дали названия целым эпохам?
2. Допишите определение: металлами называют химически 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?
5
10. Что представляет собой кристалл?
11. Перечислите известные вам дефекты кристаллов.
12. Изобразите кубическую гранецентрированную и гексогональную плотноупакованную кристаллические решетки аналогично кубической объемноцентрированной решетке, показанной на рис. 1.1. Приведите характеристики,
следуя представленному примеру.
П р и м е р. Кубическая объемно-центрированная решетка состоит из девяти
атомов (восемь расположены в вершинах решетки и один — в центре). Такую
решетку имеют хром Cr, вольфрам W, ванадий V и железо Fe при температурах
до 900 °С и свыше 1 400 °С.
Рис. 1.1.
Кубическая объемно-центрированная решетка
13. В приведенных прямоугольниках (рис. 1.2) схематически изобразите
основные этапы процесса кристаллизации.
Рис. 1.2.
6
Основные этапы процесса кристаллизации
Рис. 1.3.
Кривые охлаждения чистого металла (а) и изменение свободной
энергии металла в твердой (1) и жидкой (2) фазах (б) в зависимости от
температуры Т:
ΔT — степень переохлаждения; Ts, Tn — теоретическая и фактическая температуры
кристаллизации; τ — время; v1 —v3 — скорости охлаждения
14. Используя графики, приведенные на рис. 1.3, определите, как влияют скорость охлаждения v и температура Т на кристаллизацию чистых металлов. Запишите свои выводы:
v:
T:
15. Заполните пропуски в определениях, выбрав необходимый термин (анизотропия, аллотропия):
а) способность одного и того же металла образовывать кристаллическую
решетку разной формы называют
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.
7
18. Заполните табл. 1.1, в которой запишите условия исследования и отличительные признаки различных методов анализа структуры металлов.
Проанализируйте эти методы и запишите ваши выводы об эффективности
исследований.
Таблица 1.1. Методы анализа структуры и их особенности
Метод
Условия исследования
Отличительные признаки
Макроанализ
Микроанализ
Спектральный анализ
Магнитная дефектоскопия
Ультразвуковая дефектоскопия
Рентгеновский анализ
Метод радиоактивных изотопов
19. Какие свойства металлов вы знаете?
20. Дорисуйте «башмачки» к «лапкам паучка» (рис. 1.4). Укажите в них физические свойства металлов.
8
Рис. 1.4. Физические свойства металлов («паучок» и «башмачки»)
21. Какие технологические свойства металлов и сплавов отражены на рис. 1.5?
Запишите их.
Рис. 1.5.
Технологические свойства металлов:
n — частота вращения заготовки; S — подача
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.
9
23. Какие новые методы испытаний металлических образцов вам известны?
24. Определите относительное удлинение δ и марку конструкционной стали
(ГОСТ 1050—88**), если при испытании стандартного образца из этой стали
(рис. 1.6) на разрыв его начальные размеры составляли: d0 = 10 мм и l0 = 100 мм.
Длина образца после разрыва lк = 119 мм.
Рис. 1.6.
Образец для испытаний:
d0, l0 — начальный диаметр и начальная длина образца
Предполагаемые марки стали:
30 (δ = 20 %);
35 (δ = 19 %);
45 (δ = 17 %).
Решение:
Ответ:
25. Определите предел прочности (σв) и марку конструкционной стали (ГОСТ
1050 — 88**), если при испытании на растяжение образца (см. рис. 1.6) из этой
стали наибольшая нагрузка Pmax = 159 кH (d0 = 10 мм, l0 = 100 мм).
Предполагаемые марки стали:
30 (σв = 500 МПа);
35 (σв = 540 МПа).
Решение:
Ответ:
10
26. Какие химические свойства металлов и сплавов вам известны?
27. На рис. 1.7 впишите в свободные кружки («планеты») виды химической и
электрохимической коррозии металлов и сплавов. Укажите соответствующие
методы защиты от коррозии.
Рис. 1.7.
Виды химической и электрохимической коррозии металлов и сплавов
(«парад планет»)
28. Какие механические свойства металлов вам известны?
29. С какой целью определяют механические свойства металлов?
30. Перечислите методы испытаний металлов и сплавов на твердость.
31. Какой метод испытаний металлов и сплавов на твердость находит широкое применение в машиностроении?
ГЛАВА 2
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ПО ТЕОРИИ СПЛАВОВ
1. Существуют ли абсолютно чистые металлы?
2. Какими способами можно получить сплавы?
3. Укажите, из скольких компонентов могут состоять сплавы: из одного, двух
и более.
Подчеркните правильный ответ.
4. Что называется структурой сплавов?
5. Что представляет собой фаза сплава?
6. Изобразите сплавы внедрения и замещения.
7. Заполните табл. 2.1, в которой запишите сплавы и отметьте особенности их
состава.
12
Таблица 2.1. Сплавы и особенности их состава
Состав
Наименование
двухкомпонентного сплава
многокомпонентного сплава
8. Чем отличается кристаллизация чистых металлов и сплавов?
9. К каким типам сплавов относятся структуры феррит, аустенит, ледебурит,
перлит и цементит?
Твердые растворы:
Химические соединения:
Механические смеси:
10. Напишите на звеньях «цепочки» наименования структуры сталей при их
медленном нагреве.
Сталь марки 20 (ГОСТ 1050—88**):
Сталь марки 65 (ГОСТ 1050—88**):
11. С какой целью строят диаграммы состояния сплавов?
12. Запишите в табл. 2.2 характерные отличия диаграмм состояния первого и
второго рода свинец — сурьма (Pb — Sb) и никель — медь (Ni — Cu). Проанализируйте их и запишите ваши выводы.
13
Таблица 2.2. Характерные отличия диаграмм состояния Pb — Sb и Ni — Cu
Система
Характерные отличия диаграммы состояния
Pb — Sb
Ni — Cu
13. Какие еще диаграммы состояния вам известны?
14. В каких координатах строят диаграмму состояния железо — цементит
(Fe — Fe3C)?
15. Нанесите основные линии диаграммы состояния системы Fe — Fe3C. Укажите характерные точки диаграммы, лежащие на этих линиях.
16. Как влияют на механические свойства сплавов структуры цементит, феррит, перлит и ледебурит? Данные занесите в табл. 2.3.
Таблица 2.3. Зависимость механических свойств сплавов от их структуры
Механические свойства
Структура
Прочность
Феррит
Цементит
Перлит
Ледебурит
14
Твердость
Пластичность
17. Используя учебник*, вставьте пропущенные слова в тексте.
Твердый раствор углерода в железе (существует в стали только до температуры 727 °С). Содержание углерода в этой структуре незначительно. Это самая
мягкая структура стали, ее твердость 80 … 100 НВ. Такая структура называется
Твердый раствор углерода в железе, отличающийся высокой растворимостью углерода, содержание которого в стали составляет 2,14 % при температуре
727 °С. Твердость невысокая (170 … 220 HB), но достаточно высокими являются
прочность, пластичность и стойкость против коррозии. Структура немагнитная.
Она называется
Карбид железа — химическое соединение Fe с C (Fe3C). Содержание углерода 6,67 %. Это самая твердая структура стали (700 … 800 HB). Структура прочная,
но очень хрупкая; обладает магнитными свойствами. Она называется
Механическая смесь феррита с цементитом. Твердость структуры 200… 220 HB.
Содержит 0,8 % углерода; обладает значительной прочностью и упругостью, но
не очень высокой пластичностью. Может быть зернистой или пластинчатой.
Эта структура называется
Варианты ответов: цементит, феррит, аустенит, перлит.
18. Какие исходные данные необходимы для построения диаграмм состояния
первого и второго рода?
19. Укажите, при каком содержании углерода, %, стали являются доэвтектоидными:
а) 2,14 … 4,3;
б) 0 … 2,14;
в) 4,3 … 6,67;
г) 0 … 0,8.
Подчеркните правильный ответ.
20. Вспомните, при каком содержании углерода, %, стали являются заэвтектоидными:
а) 0,8 … 2,14;
б) 0 … 0,8;
в) 2,14 … 4,3;
г) 4,3 … 6,67.
Подчеркните правильный ответ.
21. Какая линия на диаграмме состояния системы Fe — Fe3C соответствует
началу кристаллизации сплава?
* Здесь и далее см. [1].
15
22. Какая линия на диаграмме состояния системы Fe — Fe3C соответствует
окончанию кристаллизации сплава?
23. Укажите, какие чугуны наиболее широко используют в машиностроении:
а) доэвтектические;
б) заэвтектические.
Подчеркните правильный ответ.
24. Каково содержание углерода в чугуне?
25. Какая линия на диаграмме состояния системы Fe — Fe3C является линией
верхних критических точек?
26. Какая линия на диаграмме состояния системы Fe — Fe3C является линией
нижних критических точек?
27. Почему на диаграмме состояния системы Cu — Ni нет эвтектического
сплава?
28. Какую линию на диаграмме состояния системы Pb — Sb называют ликвидусом?
29. Какую линию на диаграмме состояния системы Pb — Sb называют солидусом?
30. Какие фазы находятся в зоне между линиями АCВ и АDВ на диаграмме состояния системы Cu — Ni?
31. Запишите в табл. 2.4 характерные особенности сплавов, представляющих
собой твердый раствор, химическое соединение и механическую смесь. Укажите области их применения.
Таблица 2.4. Характерные особенности и области применения различных видов
сплавов
Сплав
Твердый раствор
Химическое соединение
Механическая смесь
Характерные особенности
Области применения