Институт системного анализа, автоматики и управления

220301.65 - автоматизация технологических процессов и производств

Направления подготовки бакалавра и магистра: 080500.62, 140100.62, 140200.62, 140600.62, 151000.62, 200100.62, 200500.62, 220100.62, 280200.62, 200100.68, 220100.68

 

Санкт-Петербург

Издательство СЗТУ

Утверждено редакционно-издательским советом университета

УДК 669.017(07)

 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ (технология конструкционных материалов): Учебно-методический комплекс / сост. Е.В. Шадричев, А.В. Сивенков, Т.П. Горшкова - СПб.: Изд-во СЗТУ, 2008.- 309 с.

 

Учебно-методический комплекс разработан в соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования.

В методическом комплексе приведены рабочая программа, тематический план дисциплины, структурно-логическая схема и временной график изучения дисциплины, тематический план лекций, перечень лабораторных работ, рекомендуемая литература, опорный конспект лекций по основным темам дисциплины, задание на контрольную работу и методические указания к ее выполнению, а также вопросы для самопроверки, тесты и глоссарий. Большая часть рабочей программы и соответственно контрольных заданий посвящена металлическим сплавам – основным конструкционным и инструментальным материалам промышленности. Кроме того рассматриваются пластмассы – наиболее распространенные неметаллические материалы машино- и приборостроения.

УМК предназначен для студентов специальности 140211.65, 140101.65, 140104.65, 140601.65, 140602.65, 151001.65, 150202.65, 220301.65, 240401.65, 240301.65, 280202.65, 080502.65, 190601.65, 190205.65, 190701.65, 200101.65, 200501.65, 200402.65, изучающих дисциплины «Материаловедение», «Материаловедение.Технология конструкционных материалов»

Рассмотрено и утверждено кафедрой материаловедения, технологии материалов и покрытий 5 июня 2007 г., одобрено методической комиссией Машиностроительно-технологиеского института 21 июня 2007 г.

Рецензенты:

кафедра материаловедения, технологии материалов и покрытий МТИ СЗТУ (зав. кафедрой Е.И. Пряхин, д-р техн. наук, проф.);

А.Н. Ефимов, канд. техн. наук, доц. кафедры «Технологии конструкционных материалов и производства ракетно-космической техники» Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова.

 

Составители: Е.В. Шадричев, канд. физ-мат. наук, доц.;

А.В. Сивенков, доц.;

Т.П. Горшкова, канд. техн. наук, доц.

 

 

© Северо-западный государственный заочный технический университет, 2008

© Шадричев Е.В., Сивенков А.В., Горшкова Т.П., 2008

1. Информация о дисциплине

1.1. ПРЕДИСЛОВИЕ

Материаловедение – наука, изучающая связь между химическим составом, структурой и свойствами материалов и закономерности изменения этих свойств под влиянием внешних воздействий, реализуемых в процессе производства, упрочняющей обработки и эксплуатации изделий из этих материалов.

Материаловедение – прикладная наука, ее фундаментом являются разделы физики и химии, посвященные атомной структуре химических элементов, строению и свойствам реальных кристаллов, природе кристаллических фаз, закономерностям процессов кристаллизации и фазовых превращений в твердых телах.

Объектом изучения дисциплины «Материаловедение» являются главным образом конструкционные и инструментальные материалы. Обычно курс материаловедения делится на две части: «Металловедение и термическая обработка металлов» и «Неметаллические материалы». В данном УМК дана более подробная рубрикация, в основном это касается части, посвященной металлическим сплавам (см. «Структурную схему дисциплины» - стр. 31). Это наиболее распространенные промышленные материалы, они достаточно хорошо изучены и традиционно занимают большую часть курса «Материаловедение».

Хотя материаловедение изучается студентами большинства специальностей политехнических вузов на 2 курсе как общеинженерная дисциплина, она закладывает основы профессиональных знаний и умений, позволяющих решать производственные конструкторские и технологические задачи, связанные с оптимизацией выбора материалов и технологий изготовления и упрочнения изделий различного назначения.

Очевидно, что роль дисциплины «Материаловедение» в подготовке инженеров различных специальностей может заметно отличаться. Наибольшее значение она имеет для студентов машино - и приборостроительных (15104.65, 150202.65, 190205.65, 200101.65, 190601.65) и родственных им (140101.65, 140104.65, 140601.65, 140602.65, 220301.65, 280202.65) специальностей.

Однако любой выпускник технического вуза независимо от специальности должен иметь базовые представления о строении и свойствах основных промышленных материалов и методах целенаправленного изменения этих свойств.

Итак, на основании изложенного выше очевидно, что задачей изучения дисциплины «Материаловедение» является овладение знаниями:

- закономерностей, связывающих химический состав, структуру и свойства материалов;

- методов целенаправленного изменения их свойств;

- химического состава, свойств и областей применения основных промышленных материалов, а также способов и режимов их упрочнения.

Цель изучения дисциплины – материаловедческая подготовка инженера, способного производить оптимальный выбор материалов и технологий изготовления и упрочняющей обработки изделий различного назначения.

В результате освоения дисциплины студент должен:

Знать:

- закономерности и практические способы воздействия на механические свойства металлических сплавов путем изменения их химического состава и структуры;

- классификацию, маркировку, механические свойства, режимы упрочняющей термической обработки и области применения сталей - основных материалов промышленности;

- характерные особенности строения и свойств полимерных материалов.

Иметь представление о:

- методах определения механических свойств материалов;

- закономерностях процесса кристаллизации;

- принципах анализа диаграмм состояния двойных сплавов и практическом использовании диаграмм состояния;

- влиянии химического состава и структуры сплавов на их технологические свойства;

- влиянии пластической деформации и последующего нагрева на структуру и свойства металлов;

- химико-термической обработке и других методах поверхностного упрочнения металлических изделий;

- свойствах и областях применения сталей и сплавов с особыми свойствами и основных групп цветных сплавов;

- дефектах стальных изделий и путях их предотвращения;

- строении, свойствах и областях применения неметаллических материалов (пластмасс, стекла, керамики) и композитов на различной основе;

- основных направлениях рационального выбора материалов для изделий различного назначения.

Уметь:

- пользоваться оптическим микроскопом для изучения структуры материалов;

- производить закалку и отпуск сталей различных марок;

- измерять твердость для контроля результатов термической обработки;

- работать с учебной, а при необходимости – научной и справочной литературой по материаловедению;

- выбирать материалы, способы и режимы упрочняющей обработки для изделий различного назначения.

Место дисциплины в учебном процессе:

Для освоения курса «Материаловедение» кроме соответствующих разделов физики и химии (отмеченных в начале предисловия) желательно знание основ таких дисциплин» как «Сопротивление материалов», «Детали машин», «теория машин и механизмов»[1].

В свою очередь знания и умения, приобретенные при изучении курса материаловедения, будут использованы в процессе освоения последующих дисциплин – «Технология конструкционных материалов», «Прикладная механика» и других дисциплин, связанных с конструированием, технологией производства, эксплуатацией и ремонтом машин, приборов, оборудования различного назначения, а также в курсовых и дипломных работах.
1.2. Содержание дисциплины и виды учебной работы

1.2.1. Содержание дисциплины по ГОС

Специальность	Содержание стандартов	Часы
140101.65 140104.65	Материаловедение. Технология конструкционных материалов. Ч.1. Материаловедение: номенклатура технических материалов в теплоэнергетике, их структура и основные свойства; атомно-кристаллическое строение металлов; фазово-структурный состав сплавов; типовые диаграммы состояния; железо и сплавы на его основе; деформация, термическая обработка металлических материалов; новые металлические материалы; неметаллические материалы; композиционные и керамические материалы.
140211.65	Материаловедение. Технология конструкционных материалов. Ч.1. Основы материаловедения: типы твердых тел, их свойства; атомно-кристаллическое строение, фазово-структурный состав сплавов; типовые диаграммы состояния; деформация, термическая обработка, наклеп, рекристаллизация; металлические материалы; новые металлические и неметаллические материалы.
140601.65 140602.65	Материаловедение. Технология конструкционных материалов. Основы конструкционного и электротехнического материаловедения: агрегатные состояния, дефекты строения и их влияние на свойства материалов; термическая обработка; конструкционные материалы, металлы и сплавы; обработка деталей электротехнического оборудования; проводниковые, полупроводниковые, диэлектрические и магнитные электротехнические материалы; природные, искусственные и синтетические материалы, классификации материалов по агрегатному состоянию, химическому составу, функциональному назначению; связь химического состава материалов с их свойствами, зависимость свойств от внешних условий; технологии получения и применения электротехнических материалов, как компонентов электроэнергетического, электротехнического и радиоэлектронного оборудования; связь параметров, характеризующих свойства электротехнических материалов, с параметрами электроэнергетического, электротехнического и радиоэлектронного оборудования.
150202.65	Материаловедение. Технология конструкционных материалов. Ч.1. Материаловедение: строение материалов. Кристаллизация и структура металлов и сплавов. Диффузионные и бездиффузионные превращения. Классификация сплавов. Диаграммы состояния сплавов. Деформация и разрушение. Механические свойства материалов. Способы упрочнения металлов и сплавов. Железо и его сплавы. Диаграмма железо-цементит. Стали: классификация, автоматные стали. Чугуны: белые, серые, высокопрочные, ковкие. Влияние легирующих элементов на превращения, структуру, свойства сталей. Теория термической обработки. Диаграмма изотермического превращения аустенита. Виды и разновидности термической обработки: отжиг, закалка, отпуск, нормализация. Поверхностная закалка; химико-термическая обработка: цементация, азотирование, нитроцементация, ионное азотирование. Углеродистые и легированные конструкционные стали; назначение, термическая обработка, свойства. Стали, устойчивые против коррозии, жаропрочные стали и сплавы. Инструментальные материалы: инструментальные и быстрорежущие стали, твердые сплавы и режущая керамика, сверхтвердые материалы, материалы абразивных инструментов. Цветные металлы и сплавы, их свойства и назначение; медные, алюминиевые, титановые и цинковые сплавы. Неметаллические материалы. Полимеры; строение, полимеризация и поликонденсация, свойства. Пластмассы: термопластичные, термореактивные, газонаполненные, эластомеры, резины, клеи, герметики. Стекло: неорганическое и органическое, ситаллы, металлические стекла. Полиморфные модификации углерода и нитрида бора. Композиционные материалы
151001.65	Материаловедение. Технология конструкционных материалов. Ч.1. Материаловедение: Строение материалов. Кристаллизация и структура металлов и сплавов. Диффузионные и бездиффузионные превращения. Классификация сплавов. Диаграммы состояния сплавов. Деформация и разрушение. Механические свойства материалов. Способы упрочнения металлов и сплавов. Железо и его сплавы. Диаграмма железо-цементит. Стали: классификация, автоматные стали. Чугуны: белые, серые, высокопрочные, ковкие. Влияние легирующих элементов на превращения, структуру, свойства сталей. Теория термической обработки. Диаграмма изотермического превращения аустенита. Виды и разновидности термической обработки: отжиг, закалка, отпуск, нормализация. Поверхностная закалка; химико-термическая обработка: цементация, азотирование, нитроцементация, ионное азотирование. Углеродистые и легированные конструкционные стали; назначение, термическая обработка, свойства. Стали, устойчивые против коррозии, жаропрочные стали и сплавы. Инструментальные материалы: инструментальные и быстрорежущие стали, твердые сплавы и режущая керамика, сверхтвердые материалы, материалы абразивных инструментов. Цветные металлы и сплавы, их свойства и назначение; медные, алюминиевые, титановые и цинковые сплавы. Неметаллические материалы. Полимеры; строение, полимеризация и поликонденсация, свойства. Пластмассы: термопластичные, термореактивные, газонаполненные, эластомеры, резины, клеи, герметики. Стекло: неорганическое и органическое, ситаллы, металлические стекла. Полиморфные модификации углерода и нитрида бора. Композиционные материалы.
190205.65	Материаловедение. Технология конструкционных материалов. Ч.1. Материаловедение: строение металлов, диффузионные процессы в металле, формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации, пластическая деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла, механические свойства металлов и сплавов; конструкционные металлы и сплавы; теория и технология термической обработки стали; химико-термическая обработка, жаропрочные, износостойкие, инструментальные и штамповочные сплавы; электротехнические материалы, резина, пластмассы.
190601.65	Материаловедение. Технология конструкционных материалов. Ч.1. Материаловедение: строение металлов, диффузионные процессы в металле, формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации, пластическая деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла, механические свойства металлов и сплавов. Стали и чугуны. Конструкционные металлы и сплавы. Сплавы атомной энергетики. Цветные металлы и сплавы. Теория и технология термической обработки стали. Химико-термическая обработка. Жаропрочные, износостойкие, инструментальные и штамповочные сплавы. Неметаллические материалы. Электротехнические материалы, резина, пластмассы. Поведение материалов в эксплуатации.
190701.65	Материаловедение. Технология конструкционных материалов. Ч.1. Материаловедение: строение металлов, диффузионные процессы в металле, формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации, пластическая деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла, механические свойства металлов и сплавов; конструкционные металлы и сплавы; теория и технология термической обработки стали; пластмассы.
200101.65	Материаловедение и технология конструкционных материалов. Материаловедение: строение металлов и сплавов, пластическая деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла, механические свойства металлов и сплавов, конструкционные материалы, термическая и химико-термическая обработка металлов, конструкционные пластики, композиты, электротехнические материалы; технология конструкционных материалов: получение заготовок литьем и пластическим деформированием, пайка и склеивание материалов, формообразование поверхностей деталей резанием, электрофизическими и электрохимическими способами обработки, обработка поверхностей деталей абразивным инструментом, точность обработки и шероховатость поверхности деталей, типовое технологическое оборудование и инструменты.
200402.65	Материаловедение. Технология конструкционных материалов. Ч.1. Материаловедение: строение металлов, диффузионные процессы в металле, формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации, пластическая деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла, механические свойства металлов и сплавов; конструкционные металлы и сплавы; теория и технология термической обработки стали; химико-термическая обработка; жаропрочные, износостойкие, инструментальные и штамповочные сплавы; материалы для биологических применений; основные физико-химические свойства конструкционных материалов для применений в биологии и медицине; материалы для искусственных сосудов, клапанов сердца, суставных и других протезов; проблема совместимости биологических и технических материалов; методика работы со справочной литературой по материаловедению.
200501.65	Материаловедение. Технология конструкционных материалов. Строение металлов, диффузионные процессы в металле, формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации, пластическая деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла, механические свойства металлов и сплавов. Конструкционные металлы и сплавы. Теория и технология термической обработки стали. Химико-термическая обработка. Жаропрочные, износостойкие, инструментальные и штамповочные сплавы. Основы технологии конструкционных материалов.
220301.65	Материаловедение. Строение металлов, диффузионные процессы в металле, формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации, пластическая деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла, механические свойства металлов и сплавов. Конструкционные металлы и сплавы. Теория и технология термической обработки стали. Химико-термическая обработка. Жаропрочные, износостойкие, инструментальные и штамповочные сплавы. Материалы, применяемые в различных отраслях промышленности. Электротехнические материалы, резина, пластмассы, композиционные материалы и др. Основы производства материалов. Формообразование заготовок. Производство заготовок различными способами. Сварка, пайка, склеивание материалов. Получение композиционных материалов. Изготовление изделий из композиционных материалов: металлических, порошковых, эвтектических, полимерных. Изготовление резиновых полуфабрикатов и деталей. Формирование поверхностей деталей резанием, электрофизическими и электрохимическими способами обработки. Выбор способа обработки.
240301.65	Материаловедение. Технология конструк­ционных материалов. Материаловедение: строение металлов, диффузионные процессы в металле, формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации, пластическая деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла, механические свойства металлов и сплавов; конструкционные металлы и сплавы; теория и технология термической обработки стали; химико-термическая обработка; жаропрочные, износостойкие, инструментальные и штамповочные сплавы; явление коррозии, коррозионные потери, классификация коррозионных процессов, химическая и электрохимическая коррозия, методы защиты от коррозии; электротехнические материалы, резина, пластмассы.
240401.65	Материаловедение. Технология конструкционных материалов. Строение металлов, диффузионные процессы в металле, формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации, пластическая деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла, механические свойства металлов и сплавов; конструкционные металлы и сплавы; теория и технология термической обработки стали; химико-термическая обработка; жаропрочные, износостойкие, инструментальные и штамповочные сплавы; явление коррозии, коррозионные потери, классификация коррозионных процессов, химическая и электрохимическая коррозия, методы защиты от коррозии; электротехнические материалы, резина, пластмассы.
280202.65	Материаловедение. Технология конструкционных материалов. Строение металлов; диффузионные процессы в металле, формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации, пластическая деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла, механические свойства металлов и сплавов; конструкционные металлы и сплавы; теория и технология термической обработки стали; химико-термическая обработка; жаропрочные, износостойкие, инструментальные и штамповочные сплавы.

 

1.2.2. Объем дисциплины и виды учебной работы

Код и название дисциплины

Шифр дисциплины

Специальности

Форма обучения

Вид учебной работы

Общая трудоемкость дисциплины

Работа под руководством преподавателя

В т.ч. аудиторные занятия:

Самостоятельная работа студента

Промежуточный контроль, количество

Контрольная работа (реферат)

Вид итогового контроля (зачет, экзамен)

Лекции

Лабораторные работы (ЛР)

814 Материаловедение и ТКМ

ОПД.Ф.03

220301.65

очная

-

Экз

812 Материаловедение. ТКМ ч1

ОПД.Ф.02

140104.65 140101.65

очно-заочная

Зач

1416 Материаловедение

ОПД.Ф.03

190701.65

ОПД.Ф.03.01

190601.65

819 Материаловедение. ТКМ

ОПД.Ф.06

240301.65

ОПД.Ф.11

240401.65

ОПД.Ф.03

200501.65

заочная

1638 Материаловедение

220100.62

очная

-

заочная

-

1413 Материаловедение

ОПД.Ф.03.01

190205.65

очно-заочная

Экз

810 Материаловедение (ТКМ)

ОПД.Ф.02

140601.65 140602.65

заочная

Зач

1641 Материаловедение и ТКМ

ОПД.Ф.10

280202.65

очно-заочная

Экз

заочная

998 Основы материаловедения

ОПД.Ф.02

140211.65

очно-заочная

Зач

заочная

814 Материаловедение и ТКМ

ОПД.Ф.03

200101.65

очная

-

Экз

очно-заочная

заочная

808 Материаловедение

ОПД.Ф.02

080502.65

очно-заочная

Экз

заочная

ОПД.Ф.03

200402.65

очно-заочная

Экз

814 Материаловедение и ТКМ

ОПД.Ф.03

220301.65

очно-заочная

экз

808 Материаловедение

ОПД.Ф.03.01

151001.65

заочная

809 Материаловедение

ОПД.Ф.03.01

150202.65

очно-заочная

заочная

 

 

Рабочие учебные материалы

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

(Объем дисциплины 120 часов)

ВВЕДЕНИЕ (2 часа)

[1], с. 3...6, или [2], с. 4...5; [3], с. 13...20; [4], с. 9...32

Содержание и задачи курса. Его место в подготовке инженеров, специализирующихся в области конструирования, производства и эксплуатации машин, приборов, механизмов и оборудования различного назначения. Роль материалов в современной технике. Краткий исторический очерк развития материаловедения.

2.1.1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ (4 часа)

[1], с. 7...24, или [2], с. 7...67; [3], с. 20...40; [4], с. 9...32

Характер межатомной связи в металлах. Свойства металлов, определяемые металлическим типом связи. Кристаллическое строение металлов. Типы кристаллических решеток. Анизотропия свойств металлов. Основные несовершенства кристаллического строения и их влияние на свойства металлов. Прочность идеальных (бездефектных) и реальных кристаллических тел. Пути повышения прочности металлов.

2.1.2. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ (4 часа)

[1], с. 24...36 или [2], с. 68...86; [3], с. 40...47; [4], с. 38...53

Особенности жидкого состояния металлов. Энергетические условия и механизм процесса кристаллизации. Закономерности образования и роста кристаллов. Зависимость скорости кристаллизации от степени переохлаждения расплава. Аморфные металлы (металлические стекла). Влияние скорости охлаждения при кристаллизации на величину зерна в затвердевшем металле. Роль примесей. Сущность процесса модифицирования. Строение слитка.

Превращения в твердом состоянии. Аллотропия (полиморфизм). Полиморфные превращения в железе.