Материаловеденье и строение металлов. Экзаменационные билеты с ответами - часть 1

                                                Билет 

№

1

1. Изобразите и поясните кристаллическое строение металла

Ответ:Кристаллические решётки представляют собой упорядоченные 
определённым образом атомы металла. Каждый атом состоит из 
положительно заряженного ядра и нескольких отрицательно заряженных 
электронов. В атомах металлов недостаточно электронов, поэтому они 
являются ионами.

Выделяют три типа кристаллических решёток:

объемно-центрированная (ОЦК) кубическая – состоит из 9 ионов;

гранецентрированная (ГЦК) кубическая – включает 14 ионов;

гексагональная плотноупакованная (ГПУ) – состоит из 17 ионов.

2. Рассмотрите особенности геометрического и физического очагов 
деформации.

Ответ:Очагом деформации называется часть полосы, которая в данный 
момент времени подвергается пластической деформации.

 АВВ1А1-очаг деформации

Область металла ограниченная дугами АВ и А1В1, а также прямыми АА1 и 
ВВ1 называется геометрическим или идеализированным очагом деформации.

Физический очаг деформации ограничен линиями m и n положение которой в
каждом случае процесса прокатки свое.

Физический очаг деформации всегда больше геометрического о.д.

3. Практическое задание: Определите расположение плоскостей сдвига в 
различных кристаллических решетках металлов

Ответ:см.в лекции

                                            Билет 

№

7

1. Опишите теплую и горячую обработку металлов давлением

Ответ:Деформирование металла при температурах (ТД) выше температуры 
рекристаллизации (ТД 

≥

 ТР) называют 

горячей обработкой давлением

. При

горячей обработке давлением наклёпанное состояние не сохраняется, 
поскольку вслед за пластической деформацией в металле сразу развиваются 
процессы рекристаллизации.

В случае выполнения обработки давлением в интервале температур 
«температура полигонизации (ТП) – температура рекристаллизации (ТР)», 
(ТР > ТД 

≥

ТП), после её окончания металл имеет полигонизованную 

структуру. Такая обработка называется 

тёплой обработкой давлением.

2. Рассмотрите влияние различных факторов на величину трения

Ответ:Влияние твердости металла и внешнего давления

Закон сухого трения в деталях машин имеет вид: сила трения Т 
пропорциональна нормальной нагрузке N и не зависит от площади контакта:

              T = f*N, где f – коэффициент трения (константа)

Влияние состояния поверхности инструмента

 (качество обработки и его 

износ) и деформируемого металла также влияет на напряжение трения. 
Особенно большое влияние наблюдается при горячей деформации в связи с 
образованием окалины.

Влияние химического состава 

инструмента и деформируемого металла на 

коэффициент трения связано с родством металлов. Так при прокатке стали на 
стальных валках коэффициент трения выше, чем на чугунных. Чем больше 
твердость инструмента, тем ниже коэффициент трения. Так при волочении 
проволоки наибольший коэффициент трения наблюдается на стальных 
волоках, меньший на твердосплавных и самый низкий на алмазных.При 
обработке очень мягких металлов (свинец, алюминий) наблюдается 

налипание частиц этих металлов на инструмент. Это приводит к повышению 
коэффициента трения. С увеличением удельного давления при пластической 
деформации коэффициент трения уменьшается (при машинном трении 
наоборот – увеличивается). При ОМД, когда имеет место прилипание, оно 
тем сильнее, чем больше удельное давление. Поэтому сила трения растет 
медленнее, чем нормальное давление. В результате среднее значение 
коэффициента трения уменьшается.

Влияние температуры 

на коэффициент трения сложное. При изменении 

температуры изменяется сопротивление деформации и физико-химические 
свойства окалины, образующей промежуточный слой между металлом и 
инструментом. Установлено, что при нагревании коэффициент трения 
сначала растет, достигает максимального значения, затем уменьшается. 
Первоначальный рост объясняется окислением поверхности и образованием 
шероховатой окалины. При дальнейшем повышении температуры происходит
размягчение окалины, и она начинает играть роль смазки. Максимального 
значения коэффициент трения для стали достигает при t=800-1000oC. Для 
некоторых сталей окалина очень сильно снижает коэффициент трения при 
высоких температурах. В результате захват металла валками затрудняется и 
дальнейшая прокатка возможна только после дополнительного 
подстуживания.

3. Практическое задание: Произведите расчет коэффициента трения при 
горячей и холодной обработке металлов давлением

Ответ: f  з-коэфф

 

 .  трения при захвате

 

 ; f

   у-коэфф

 

 .  трения при установившемся 

 

 

процессе

 

 ; f

   з  >f

   у  

                                              Билет 

№

9

1. Дайте определение понятий и опишите внешние и внутренние силы

Ответ:

Внешние силы

—это силы, действующие на тело извне. Под влиянием 

внешних сил тело или начинает двигаться, если оно находилось в состоянии 
покоя, или изменяется скорость его движения, или направление движения. 
Внешние силы в большинстве случаев уравновешены другими силами и их 
влияние незаметно, только знание законов механики позволяет утверждать о 
действии внешних сил на тело, находящееся в покое.Внешние силы, действуя
на твердое тело, вызывают изменения его формы, обуславливаемые 
перемещением частиц.

Внутренними силами 

являются силы, действующие между частицами, эти 

силы оказывают сопротивление изменению формы.

2. Рассмотрите силы, действующие при захвате металла валками, 
произведите вывод условий захвата при обработке металлов давлением

Ответ:см.в тетради

3. Практическое задание: Произведите расчет нейтрального угла опережения

Ответ:                Формула Экелунда

 

 :S1=(R/h-0,5)*l

 

 

2

  ,  

 где S1-опережение; R-радиус валка; h-толщина прокатываемой полосы; l-
значение критического угла,радианы;

Вторая формула Дрездена

 

 :S1=(R/h)*l

 

 

2

  -  для полос малой толщины

 

 

                                               Билет 

№

14

1. Рассмотрите особенности упругой и пластической деформации

Ответ:

Деформация

 – изменение формы и размеров тела в результате 

действия на него внешних сил. Деформация представляет собой 
совокупность трех взаимно накладывающихся и последовательно идущих 
процессов: упругой деформации, пластической деформации и разрушения.

Если тело после снятия сил, вызывающих деформацию, полностью 
восстанавливает свои первоначальные форму и размеры, то такая 
деформация называется 

упругой или обратимой

. В процессе упругой 

деформации тело накапливает потенциальную энергию. При разгрузке эта 
энергия расходуется на восстановление размеров и формы тела.

Если после удаления приложенных сил тело не восстанавливает полностью 
первоначальные форму и размеры, то такая деформация называется 

пластической или остаточной

. Всякая остаточная деформация 

сопровождается упругой. Сумма упругой и пластической деформации 
называется полной деформацией.

2. Рассмотрите количественное определение опережения и отставания

Ответ:Превышение скорости выхода металла из валков  по сравнению с 
окружной скоростью валков  называют 

опережением

.

Отставанием

 называют отношение разности горизонтальной проекции 

окружной скорости валка и скорости входа металла в валки.

3. Практическое задание: Определите заданные параметры заготовки при 
заданных параметрах готовых изделий

Ответ:h/H=n-характеризует деформацию по высоте(высотная деф-я);

l/L=M-характеризует деформацию по длине (коэфф.продолжительной 
деформации);

b/B=Л-характеризует деф-ю по ширине (коэфф.поперечной деформации)         

 Из закона постоянства обьёма следует:

                     H*h*B=h*l*b или h/H*l/L*b/B=1 или

                                              n*M*Л=1     

дельтаh=H*h

                                             Билет 

№

21

1. Перечислите виды неравномерности деформации при обработке металлов 
давлением, рассмотрите причины ее возникновения и методы устранения

Ответ:

Основные причины неравномерности деформации

:

1. несоответствие формы инструмента форме деформируемого тела;

2. внешнее трение;

3. неоднородность физических свойств деформируемого тела.

Неравномерность деформации приводит к остаточным напряжениям и 
неоднородности свойств готовых изделий.

Методы устранения остаточных напряжений

Основной метод – предотвращение их появления правильным режимом 
обработки, при котором неравномерность сводится к минимуму, а 
дополнительные напряжения снимаются в процессе деформации и не 
приводят к появлению остаточных напряжений.

Для достижения этого всю неравномерную деформацию необходимо 
осуществлять в начальной стадии обработки, особенно при горячей ОМД. В 
этих условиях облегчается протекание металла из сильнообжимаемых частей 
в слабообжимаемые, пластичность металла высокая. Дополнительные 
напряжения не приводят к разрушениям и постепенно уменьшаются в 
процессе деформации в результате рекристаллизации. Температура должна 
быть одинаковой, коэффициент трения минимальный, температура не должна
соответствовать тем-ре межфазового перехода.

Билет 1,2 
1)Фазы сплавов: твердые растворы и промежуточные фазы. Влияние химического 
состава на свойства твердых растворов. Промежуточные фазы (электронные 
соединения, фазы Лавеса, фазы внедрения и т.д.) и их влияние на свойства 
сплавов. 

Сплав – вещество, содержащее в своем составе два или более компонентов, по крайней 
мере, один из которых – металл. 
Получают их с помощью спекания или сплавлением. Компонент – вещество, 
образующее сплав.  
Фаза – однородная, отделенная поверхностью раздела часть металла или сплава, 
имеющая одинаковые состав, строение и свойства. Гомогенные вещества имеют одну 
фазу, а гетерогенные – несколько фаз.  
Структура – строение металла, в котором можно различать отдельные фазы, их форму, 
размеры и взаимное расположение. Структура влияет на свойства. 

Различные типы кристаллических сплавов. 

Твердые растворы – кристаллы, у которых один из компонентов образует собственную 
кристаллическую решетку, а второй присутствует в виде отдельных атомов, то есть 
собственной кристаллической решетки не имеет. Первый компонент называют 
растворителем, а второй – растворенным компонентом. 
Выделяют твердые растворы внедрения и твердые растворы замещения. 
В твердых растворах внедрения – атомы растворенного вещества размещаются в 
кристаллической решетке растворителя, внедряясь между узлами. 

 

Особенности: 

1.

 

растворенные вещества должны иметь малый атомный радиус (обычно это 

неметалл); 

2.

 

ограниченная растворимость; 

В твердых растворах замещения – атомы растворенного вещества замещают атомы 
растворителя в узлах кристаллической решетки. 

 

Особенности: 
1.

 

растворенное вещество такого же типа, как и растворитель (атомы близки по 
размеру); 

2.

 

часто имеют неограниченную растворимость; 

Искажения решетки при образовании твердых растворов внедрения больше, чем при 
образовании твердых растворов замещения, поэтому у них более резко изменяются и 
свойства. По мере увеличения концентрации растворенного элемента в твердом 
растворе заметно возрастают электрическое сопротивление, твердость и прочность, но 
значительно понижаются пластичность и вязкость. 

Промежуточная фаза – кристаллы, образованные различными элементами и имеющие 
собственный тип кристаллической решетки, отличающийся от решеток, составляющих 
их элементов. 
Фазы внедрения. Если отношение 

, образуются промежуточные фазы с 

простыми пространственными решетками, в которых атомы неметалла располагаются в 
порах. 
Фазы внедрения имеют кристаллические решетки (чаще всего плотно упакованные ГЦК 
и ГП). 
Химический состав фаз внедрения указывается формулами: 

, 

например: 

. 

В фазах внедрения преобладает металлическая связь, чем и определяются такие 
свойства, как высокая электропроводимость, положительный коэффициент 
электросопротивления. Большинство фаз внедрения чрезвычайно тугоплавки и имеют 
высокую твердость, т.к. присутствует значительная доля в фазах внедрения ковалентной 
связи. 
Карбиды. 

. Например, 

 

Карбиды и нитриды, относящиеся к фазам внедрения, присутствуют в структуре многих 
коррозионно-стойких, износостойких и жаропрочных конструкционных сталей. 
Отличаются высокой твердостью и хрупкостью, тугоплавки. 
Электронные фазы. Для максимального содержания металла более высокой валентности 
характерно совершенно определенное значение электронной концентрации (отношение 
числа валентных электронов к числу атомов): 3/2, 21/13, 7/4. Данные фазы обозначаются 
соответственно 

. В большинстве сплавов -фазы имеют ОЦК решетку,  -фазы 

сложную кубическую решетку с 52 атомами в элементарной ячейке и  -фазы ГП 
решетку. 
Механические свойства электронных соединений зависят в значительной мере от 
упорядоченности атомов компонентов в кристаллической решетке электронного 
соединения. 
Фазы Лавеса. Это промежуточные фазы практически постоянного состава 

, 

образуются при взаимодействии металлов самых различных групп Периодической 
системы. При этом атомный радиус растворенного элемента В должен быть меньше, 
чем атомный радиус растворителя А на 20-30%. 
Фазы Лавеса имеют упорядоченные сложные кубические или гексагональные решетки, 
в магнитном поле ведут себя как диамагнетики. 

 

2)Конструкционные стали нормальной прочности: углеродистые 
конструкционные стали обыкновенного качества и качественные стали. Состав, 
маркировка, упрочняющая обработка и применение. 

Углеродистые стали обыкновенного качества. Допускается повышенное содержание 
вредных примесей, а так же газонасыщенность и загрязненность неметаллическими 
включениями. Наиболее дешевые, технологичные и обладающие прочностью, 
достаточной для изготовления металлоконструкций различного назначения. 
Маркируются сочетанием букв «Ст» и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки. 
Степень раскисления обозначают в спокойных сталях - «сп», в полуспокойных - «пс», в 
кипящих – «кп».  
Для всех сталей, кроме Ст0, справедлива формула: С(%) 0,07 номер марки. 
Концентрация марганца в стали Ст1 0,25-0,50%, в стали Ст6 0,50-0,80%. Три марки 
стали производят с повышенным содержанием марганца(0,80-1,1%), на что указывает 
буква «Г» в маркировке: Ст3Гпс, ст3Гсп, Ст5Гпс. 
Содержание кремния зависит от способа раскисления стали: у кипящих – не более 
0,05%, у полуспокойных – не более 0,15%, у спокойных – не более 0,30%. 
Прокат подразделяют на 4 группы: сортовая сталь, листовая сталь, специальные 
профили и трубы. 
Углеродистые качественные стали. Характеризуются более низким, чем у сталей 
обыкновенного качества, содержанием вредных примесей и неметаллических 
включений 
Маркируются двухзначными числами: 08, 10, 15, 20,…, 60, обозначающими среднее 
содержание углерода в сотых долях процента. 
Спокойные стали маркируются без индекса, полуспокойные и кипящие соответственно 
«пс» и «кп».  
Содержание кремния: в кипящих сталях не более 0,30%, в полуспокойных 0,05 – 0,17%. 
Содержание марганца повышается по мере увеличения концентрации углерода от 0,25 
до 0,80%.  
Низкоуглеродистые стали по назначению подразделяют на 2 подгруппы:

 

1.

 

Малопрочные и высокопластичные. 

2.

 

Цементуемые – стали 15, 20, 25. Предназначены для деталей небольшого размера, 

от которых требуется твердая, износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. 
Поверхностный слой после цементации упрочняют закалкой в воде в сочетании с 
низким отпуском.  

Среднеуглеродистые стали 30,…, 55 отличаются большей прочностью, но меньшей 
пластичностью, чем низкоуглеродистые. Их применяют после улучшения, 
нормализации и поверхностной закалки. В улучшенном состоянии – достигаются 
высокая ударная вязкость, пластичность и малая чувствительность к концентраторам 
напряжений.

Билет 3

 

1)Диаграмма состояния двойных сплавов с неограниченной растворимостью 
компонентов в твердом состоянии. Условия неограниченной растворимости. 
Правило концентраций и отрезков. Использование диаграмм состояния для 
определения свойств сплавов(правило Курнакова).

  

Полная взаимная растворимость в твердом состоянии возможна тогда, когда оба 
компонента имеют одинаковые кристаллические решетки и атомные диаметры 
компонентов мало отличаются по размерам. Такая диаграмма имеет простой вид и 
состоит из 2-х линий: ликвидус и солидус. 

 

Правила определения состава фаз (правило концентраций) и количественного 
соотношения фаз (правило отрезков): для определения концентрации компонентов в 
двух фазах через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят 
горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями, ограничивающими данную 
область; проекции точек пересечения (a и b) на горизонтальную ось диаграммы покажут 
составы фаз (

). Отрезки коноды между точкой c и точками a и b, определяющими 

состав фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз: 

. 

Правило Курнакова:

 

так как вид диаграммы, также как и свойства сплава, зависит от 

того, какие соединения или какие фазы образовали компоненты сплава, то между ними 
должна существовать определенная связь.

 

 

2)Конструкционная прочность. Металлургические, технологические, 
конструкторские способы повышения конструкционной прочности.

 

Конструкционные материалы. Предназначены для изготовления деталей машин, 
приборов, инженерных конструкций, подвергающихся механическим нагрузкам. 
Конструкционная прочность

 – 

комплексная хар-ка, включающая сочетание критериев 

прочности, жесткости, надежности и долговечности.  
Критерии прочности материала: 
1) Прочностные хар-ки: временное сопротивление

,

предел текучести

, предел 

выносливости  .

 

2) Упругие хар-ки: модули упругости E и G 
Надежность

 – 

свойство изделий, выполнять заданные функции, сохраняя 

эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого времени или 
сопротивление материала хрупкому разрушению. 
Долговечность 

– 

способность детали сохранять работоспособность до определенного 

состояния. 
Характеристики надежности и долговечности:  

1)

 

Пластичность δ, ψ, ударная вязкость KCU, KCV, вязкость разрушения, порог 

хладноломкости,  
2)

 

Циклическая долговечность, скорость изнашивания, ползучести, коррозии. 

Способы повышения прочности: 
Металлургические, технологические, конструкционные. 
Металлургические – повышение чистоты Ме, удаление вредных примесей (S, P, 
газообр. эл-тов – O, H, N, оксидов, сульфидов) – переплав, рафинирование и др. 
Методы упрочнения: легирование, пластическая деформация, термическая, 
термомеханическая и химико-термическая обработка. 
Легирование – карбидообр. эл-ты (Ni, V, Mo, Cr) образуют карбиды при выплавке, 
задерживают рост зерна при нагреве под закалку в аустените, влияют на мартенсит при 
высоком отпуске: 1) Задерживают выделение цементита, 2) затрудняют распад 
мартенсита. Некарбидообр. эл-ты (Si, Ni, Mn, Al, Cu) замедляют диффузию. 
Все лег. эл-ты в феррите обазуют твердорастворное упрочнение по типу замещения, 
атомы внедрения (C, O, H, N) скапливаются на дислокациях и блокируют их. 
Закалка+старение

 

– дисп. частицы вторичной фазы создают сильное торможение 

дислокаций. Дислокации, перемещаясь в пл-ти скольжения, должны перерезать либо 
огибать частицы. 
Поверхностное упрочнение – осн метод повышения тв-ти слоя и препятствующий 
зарождению пов трещин. (ППД, цементация, нитроцемент, азотир, закалка ТВЧ). 

Конструкторские методы предусматривают обеспечение равнопрочности 

высоконапряженных деталей. При их проектировании избегают резких перепадов 
жесткости, глубоких канавок и других конструктивных надрезов.

Билет4 
1)Диаграмма  состояния  двойных сплавов с ограниченной переменной 
растворимостью компонентов в твердом состоянии. Термическая обработка 
сплавов этой диаграммы: отжиг, закалка, старение.

 

 

 

Предельная концентрация компонента А в фазе   определяется линией FQ, и эта 

концентрация не изменяется. Максимальное содержание компонента В в  -фазе 

определяется точкой Е и при охлаждении снижается до точки Р. 
Из всех сплавов выделяют сплав III, который называется эвтектическим (наиболее 
легкоплавкий). Он кристаллизуется с выделением одновременно двух твердых фаз 
определенной концентрации: твердого раствора   состава точки Е и твердого раствора 

 состава точки F. В результате образуется смесь двух фаз, которую называют 

эвтектикой. 
Термическая обработка – технологические процессы, состоящие из нагрева и 
охлаждения металлических изделий и целью изменения их структуры и свойств. 
Отжиг – термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы приобретают 
структуру, близкую к равновесной. 
Закалка – термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется 
неравновесная структура. 
Отпуск и старение – термические обработки, в результате которых в предварительно 
закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к 
равновесной. 

 

2)Легированные низкоуглеродистые и среднеуглеродистые конструкционные 
стали. Влияние легирующих элементов на механические свойства сталей, 
маркировка, упрочняющая обработка, применение. 

Легирующие элементы вводят с целью повышения конструкционной прочности сталей. 
Первостепенное назначение легирования – обеспечение необходимой прокаливаемости. 
Прокаливаемость стали определяется ее химическим составом. Все легирующие 
элементы, кроме кобальта, повышают устойчивость переохлажденного аустенита, 
снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Для 
легирования обычно используют Mo, Mn, Cr, Si, Ni, V и  микродобавки. 
Влияние л.э. на механические свойства стали зависит от ее структурного состояния, 
которое определяется термической обработкой.  

1.

 

После закалки на мартенсит и низкого отпуска свойства легированной стали 

определяются концентрацией углерода в мартенсите. 

2.

 

После закалки и высокого отпуска (улучшения) структура стали представляет 

собой сорбит – ферритно-карбидную смесь с зернистой формой карбидной фазы. 
Высокие механические свойства сорбита обусловлены влиянием л.э. на прочность 
феррита, а так же дисперсность и количество карбидной фазы. 

Низкоуглеродистые легированные стали (0,1-0,3%С) используют в состоянии 
наибольшего упрочнения, т.е. после закалки и низкого отпуска со структурой 
низкоуглеродистого мартенсита или бейнита. Повышенные прочностные свойства 
сочетаются у них с хорошей пластичностью, вязкостью, малой чувствительностью к 
надрезам и высоким сопротивлением развитию вязкой трещины. 
Хромистые стали 15Х, 20Х образуют группу дешевых сталей нормальной прочности. 
Закаливают в масле на структуру троостита или бейнита. 
Среднеуглеродистые легированные стали (0,3-0,5%С) приобретают высокие 
механические свойства после термического улучшения – закалки и высокого отпуска 
(500-650

) на структуру сорбита. Улучшение этих сталей обеспечивает повышенный 

предел текучести и сочетании с хорошей пластичностью и вязкостью, высоким 
сопротивлением развитию трещины. 
Хромистые стали 40Х, 45Х, 50Х относятся к дешевым конструкционным материалам. С 
увеличением содержания углерода возрастает прочность, но снижается пластичность и 
вязкость, повышается порог хладноломкости. 
Хромникельмарганцеве стали 30ХГСА, 35ХГСА содержат по 1% Cr, Mn и Si и 
называются хромансилями. Это достаточно технологичные стали, нашли широкое 
применение в автомобилестроении. 
Хромоникелевые стали 40ХН, 45ХН, 50ХН обеспечивают высокий комплекс 
механических свойств в деталях сечением 40-50 мм. Из-за присутствия никеля эти 
стали, в отличие от хромистых, имеют более высокий температурный запас вязкости и 
меньшую склонность к хрупкому разрушению. 
Хромникельмолибденовые стали 40ХН2МА, 38ХН3МА, 38ХН3МФА, 18Х2Н4МА 
относятся к глубокопрокаливаемым сталям. Относятся к мартенситному классу, 
закаливаются на воздухе, мало склонны к хрупкому разрушению, применяются при 

темрературах до 300-400 . Недостатки: высокая стоимость, плохо обрабатываются.