Краткие теоретические сведения. Лабораторные работы по курсу «Материаловедение

Представлена методическая разработка практического занятия для учебной дисциплины ОП 08 «Материаловедение» по специальности среднего профессионального образования 22.02.06 "Сварочное производство".

В ходе проведения данной работы обучающиеся изучают виды и характеристики кристаллических решеток металлов, влияния кристаллических решеток на структуру и свойства металлов и их сплавов.

По окончанию работы обучающимся предлагается ответить на контрольные вопросы.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Методические указания к практической работе на тему «Изучение типов кристаллических решеток и их влияние на структуру и свойства металлов и их сплавов» для обучающихся второго курса по специальности среднего профессионального образования 22.02.06 "Сварочное производство» по учебной дисциплине ОП 08 «Материаловедение»

Никифорук Татьяна Алексеевна.

преподаватель специальных дисциплин,

ТОГБПОУ «Многоотраслевой колледж»,

г. Моршанск, Тамбовская область

г. Моршанск, 2016 год

Основные теоретические положения 3

1. Атомно-кристаллическое строение металлов 3
2. Превращения в твердом состоянии. Полиморфизм 6
3. Порядок выполнения практической работы 8
4. Содержание отчета практической работы 8

Цель работы: Ознакомиться с видами и характеристикой кристаллических решеток металлов. Изучить влияния кристаллических решеток на структуру и свойства металлов.

Основные теоретические положения

1. АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ.

Металлические материалы. 83 из известных 112 химических элементов таблицы Менделеева Д. И. являются металлами. Они обладают рядом характерных свойств:

- высокой тепло- и электропроводностью;

- положительным коэффициентом электросопротивления (с повышением температуры электросопротивление растет);

- термоэлектронной эмиссией (испусканием электронов при нагреве);

- хорошей отражательной способностью (блеском);

- способностью к пластической деформации;

Полиморфизмом.

Наличие перечисленных свойств обусловлено металлическим состоянием вещества, главным из которых является наличие легкоподвижных коллективизированных электронов проводимости.

Металлическое состояние возникает в совокупности атомов, когда при их сближении внешние (валентные) электроны теряют связь с отдельными атомами, становятся общими и свободно перемещаются между положительно заряженными, периодически расположенными ионами. Силы притяжения (силы связи) в твердых телах существенно отличаются по своей природе. Обычно рассматривают четыре основных типа связей в твердых телах: ван-дер-ваальсовые, ковалентные, металлические, ионную.

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов в кристалле. Кристалл состоит из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях.

Наименьший комплекс атомов, который при многократном повторении в пространстве позволяет воспроизвести пространственную кристаллическую решётку, называют элементарной ячейкой.

Для характеристики элементарной ячейки используют параметры кристаллической решётки:

Три ребра а, в, с , измеряемых в ангстремах (1Å = 1* 10 -8 см) или в килоиксах – kX (1kX = 1,00202 Å) и три угла α , β , γ , ;

Компактность структуры η - отношение объема, занимаемого атомами, к объёму ячейки (для решётки ОЦК η = 64 %, для решётки ГЦК η = 74 %) ;

Координационное число К - число ближайших соседей данного атома: для решётки ОЦК это число равно 8, т.е. атомы, находящиеся в вершине, принадлежат восьми элементарным ячейкам (рис.1.а), для решётки ГЦК это число равно 12, т.е. атомы, находящиеся в вершине, принадлежат двенадцати элементарным ячейкам (рис. 1.б) .

Рисунок 1. Схема определения координационного числа кристаллической решётки:

а – ГЦК;

б – ОЦК;

в – ГПУ

Простейшим типом кристаллической ячейки является кубическая решётка . В простой кубической решётке атомы расположены (упакованы) недостаточно плотно.

Стремление атомов металла занять места, наиболее близкие друг к другу, приводит к образованию решеток других типов (рис. 2.):

Объёмноцентрированной кубической решётки (ОЦК) (рис.2.а) с параметром

а = 0,28 – 0,6мм = 2,8 – 6,0 Å

Гранецентрированной кубической решётки (ГЦК) (рис.2.б) с параметром

а = 0,25мм

Гексагональной плотно упакованной решётки (ГПУ) (рис.2.в) с параметром

с / а ≈ 1,633

Рисунок 2. Кристаллические решётки: а – гранецентрированный куб (ОЦК); б – объемноцентрированный куб (ГЦК); в- гексагональная плотно упакованная (ГПУ)

Узлы (положения атомов), направления в плоскости и в пространстве обозначаются с помощью так называемых индексов Миллера (рис.3).

Индексы узла записываются – (mnp),

Индексы направления записываются – [ mnp ] ,

Индекс плоскости записываются – (hk1).

Рисунок 3. Символы некоторых важнейших узлов, направлений и плоскостей в кубической решётке.

Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решётки многие свойства отдельно взятого кристалла (химические, физические, механические) по данному направлению отличаются от свойств в другом направлении и, естественно, зависят от того, сколько атомов встречается в этом направлении.

Различие свойств в зависимости от направления испытания носит название анизотропии.

Все кристаллы анизотропны.

Анизотропия – особенность любого кристалла, характерная для кристаллического строения.

Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из совокупности кристаллитов с различной ориентацией. При этом свойства во всех направлениях усредняются.

1. ПРЕВРАЩЕНИЯ В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ. ПОЛИМОРФИЗМ.

Атомы данного элемента могут образовать, если исходить только из геометрических соображений, любую кристаллическую решетку. Однако устойчивым, а следовательно, реально существующим типом является решетка, обладающая наиболее низким запасом свободной энергии.

Так, разные металлы образуют разные виды кристаллической решетки:

Li, Na, K, Mo, W – ОЦК;

- Al, Ca, Cu, Au, Pt – ГЦК;

Mg, Zr, Hf – ГПУ.

Однако в ряде случаев при изменении температуры или давления может оказаться, что для одного и того же металла более устойчивой будет другая решетка, чем та, которая существует при данной температуре или давлении. Так, например, существует железо с решетками объемно-центрированного и гранецентрированного кубов, обнаружен кобальт с гранецентрированной и с гексагональной решетками (рис.4).

Существование одного и того же металла (вещества) в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии.

Различные кристаллические формы одного вещества называются полиморфными или аллотропическими модификациями (таблица 1).

Аллотропические формы обозначаются греческими буквами α , β , γ и т.д., которые в виде индексов добавляют к символу, обозначающему элемент. Аллотропическая форма при самой низкой температуре, обозначается буквой α , следующая - β и т. д.

Явление полиморфизма основано на едином законе об устойчивости состояния с наименьшим запасом энергии. Запас свободной энергии зависит от температуры. Поэтому в одном интервале температур более устойчивой является одна модификация, а в другом – другая.

Температура, при которой осуществляется переход из одной модификации в другую, носит название температуры полиморфного (аллотропического) превращения.

Механизм роста кристаллов новой фазы может быть нормальным кристаллизационным и мартенситным.

Нормальный механизм роста – это зарождение новой фазы на границах зерен, блоков, фрагментов при малых степенях переохлаждения (Sn α ↔ Sn β ).

Мартенситный механизм реализуется при низких температурах и большой степени переохлаждения, при малой диффузионной подвижности атомов путем их сдвига (смещения) по определенным кристаллографическим плоскостям и направлениям. Новая фаза имеет форму игл и растет очень быстро (Co α ↔ Co β ).

Аллотропическое превращение сопровождается изменением свойств, объема и появлением внутренних напряжений.

Рисунок 4. Элементарные ячейки кристаллических решеток:

I - кубическая объемно-центрированная (α-железо),

II - кубическая гранецентрированная (медь),

III - гексагональная плотноупакованная;

а и с - параметры решеток.

Таблица 1. Аллотропические модификации металлов .

Металл		Группа		Модификация		Кристаллическая решетка
Кальций		II-A		Сa α до 450 Ca αβ 450-851		Кубическая гранецентрированная
Галлий		III-B		Ga α Ga β		Ромбическая Тетрагональная
Таллий		III-B		Tl α до 262 Tl β 262-304		Гексагональная плотноупакованная
Титан		IV-A		Ti α до 882 Ti β 882-1725		Гексагональная плотноупакованная Кубическая объемноцентрированная
Цирконий		IV-A		Zr α до 862 Zr β 862-1830		Гексагональная плотноупакованная Кубическая объемноцентрированная
Гафний		IV-A		Hf α до 1610 Hf β 1610-1952		Гексагональная Кубическая объемноцентрированная
Олово		IV-B		Sn α до 18 Sn β 18-232		Алмазная Тетрагональная объемноцентрированная
Вольфрам		VI-A		W α до 650 W β 650-3400		Кубическая объемноцентрированная Сложная (нерасшифрованная)
Уран		VI-A		U α до 660 U β 660-770

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса» (ГОУ ВПО «ЮРГУЭС»)

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Лабораторный практикум

для студентов специальностей 190601, 190603, 200503, 260704

очной и заочной форм обучения

ШАХТЫ ГОУ ВПО «ЮРГУЭС»

УДК 620.1(076.5) ББК 30.3я73

Составители:

к.т.н., доцент кафедры «Прикладная механика и конструирование машин»

Ю.Е. Чертов

к.т.н., ст. преподаватель кафедры «Прикладная механика и конструирование машин»

С.Н. Байбара

Рецензенты:

к.т.н., профессор, зав. кафедрой «Техническая эксплуатация автомобилей»

Ю.Г. Сапронов

к.т.н., профессор кафедры «Технология изделий из кожи, стандартизация и сертификация»

М341 Материаловедение: Технология конструкционных материалов: лабораторный практикум / составители Ю.Е. Чертов, С.Н. Байбара. – Шахты: ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2010. – 71 с.

Использование лабораторного практикума позволит закрепить лекционный материал, обеспечить самостоятельное изучение отдельных дидактических единиц дисциплины, успешное выполнение контрольных работ и самостоятельных заданий.

Предназначен для студентов специальностей 190601, 190603, 200503, 260704 очной и заочной форм обучения.

УДК 620.1(076.5) ББК 30.3я73

Режим доступа к электронному аналогу печатного издания: http://www.libdb.sssu.ru

© ГОУ ВПО « Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса» , 20 10

ПРЕДИСЛОВИЕ...........................................................................................
Лабораторная работа № 1. Изучение процесса кристаллизации
Лабораторная работа № 2. Изучение макро- и микроструктуры
металлов и сплавов.......................................................................................
Лабораторная работа № 3. Изучение диаграмм состояния
двойных сплавов...........................................................................................
Лабораторная работа № 4. Исследование фазовых превращений
по диаграмме состояния железо-цементит..................................................
Лабораторная работа № 5. Методы измерения твёрдости металлов......
Лабораторная работа № 6. Влияние термической обработки
на механические свойства конструкционной стали....................................
Лабораторная работа № 7. Формообразование заготовок литьём
в песчаные формы.........................................................................................
Лабораторная работа № 8. Изучение способов электрической
сварки металлов............................................................................................
Лабораторная работа № 9. Изучение способов изготовления
изделий из пластмасс....................................................................................
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..........................................................

ПРЕДИСЛОВИЕ

Будущему специалисту – выпускнику высшего учебного заведения предстоит работать в быстро изменяющихся условиях производства. Уже сейчас цикл обновления технологии в некоторых отраслях промышленности короче, чем период обучения в институте или университете. Поэтому подготовка специалистов нового типа, умеющих быстро адаптироваться к новым условиям работы предприятий, является одной из основных задач вуза.

Лабораторный практикум, как форма учебных занятий, максимально способствует активизации мыслительной деятельности студентов и выработке у них навыков творческого применения на практике полученных знаний.

Предлагаемые лабораторные работы позволят студентам глубже изучить теоретические положения курса «Материаловедение», получить практические навыки изучения структуры и свойств металлических машиностроительных материалов, оценки влияния на структуру и свойства металлов различных видов их термической обработки.

Выполнение лабораторных работ в условиях резкого сокращения объёма читаемых лекций часто не совпадает с порядком изложения лекционного курса. Поэтому каждая работа содержит общие теоретические сведения, которые облегчат самостоятельную подготовку студента к выполнению работы, способствуя сознательному её проведению и пониманию полученных результатов.

Лабораторный практикум подготовлен в соответствии с требованиями ГОСа по дисциплине «Материаловедение. ТКМ» для студентов машиностроительных специальностей высших учебных заведений.

Лабораторная работа № 1 ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Цель работы: изучение процесса перехода металлических материалов (металлов и сплавов) из жидкого в твёрдое агрегатное состояние с учётом влияния внешних факторов, а также изучение строения стального слитка.

1. Дать краткую характеристику металлов, сплавов и процессов их кристаллизации.

2. Ознакомиться с устройством биологического микроскопа.

3. Провести наблюдение за кристаллизацией солей из перенасыщенных водных растворов.

4. Зарисовать, наблюдая кристаллизацию капли, наиболее характерные зоны и дать пояснения. Размер рисунка – круг 50 мм.

5. Зарисовать продольный и поперечный разрезы стального слитка. Дать объяснение наличию трёх зон в слитке.

6. Оформить письменный отчёт по работе.

Общие сведения из теории

1. Краткая характеристика металлов и сплавов

Металлы и сплавы являются важнейшими конструкционными материалами, широко применяющимися в технике. Металлам кроме блеска и пластичности присущи высокие теплопроводность и электропроводность.

Получение химически чистых металлов связано со значительными трудностями, а значения их механических характеристик не высоки. В связи с этим в технике повсеместно используются сплавы металлов.

Сплавы – это сложные вещества, в состав которых входит несколько металлов или металлов и неметаллов. Металлические сплавы обладают отмеченными выше свойствами чистых металлов.

Металлические материалы в твёрдом агрегатном состоянии имеют кристаллическое строение, при котором положительно заряженные ионы расположены в строго определённом порядке, периодически повторяющемся в трёх измерениях пространства. Так как сплавы получают обычно по металлургической технологии, то твёрдому состоянию предшествует жидкое. Переход вещества из жидкого состояния в твёрдое называется

кристаллизацией.

2. Кристаллизация металлов и сплавов

Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией. Под свободной энергией F понимают ту часть внутренней энергии системы, которая может быть превращена в работу. С повышением температуры свободная энергия жидкого и твёрдого состояний металла уменьшается (см. рис. 1.1).

Свободная энергия F

состояние

					состояние
Т кр
					Т пл
Температура,

Рисунок 1.1 – Изменение свободной энергии жидкого и твёрдого состояний в зависимости от температуры

При достижении равновесной температуры Т S свободная энергия жидкого и твёрдого состояний равна, а поэтому при этой температуре ни процесс кристаллизации, ни процесс плавления до конца протекать не могут.

Для развития процесса кристаллизации необходимо создать такие условия, при которых свободная энергия твёрдой фазы будет меньше, чем свободная энергия жидкой фазы. Как видно из графика, приведённого на рисунке 1.1, это возможно только при некотором переохлаждении сплава.

Степенью переохлаждения называется разность между равновесной (теоретической) и фактической температурами кристаллизации

Т ТS Ткр .

Для развития процесса плавления необходима некоторая степень перегрева сплава

Т Тпл ТS .

Степень переохлаждения измеряется в градусах Цельсия и зависит от скорости охлаждения, природы и чистоты расплава. Чем больше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения. Чем чище расплав, тем больше его устойчивость и, следовательно, больше степень переохлаждения.

Наличие нерастворённых частичек в расплаве ускоряет процесс кристаллизации, измельчает зерно. Исследованиями Д.К. Чернова было выявлено, что кристаллизация начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается в условиях роста их числа и размеров.

Число центров кристаллизации (Ч.Ц.) и скорость их роста (С.Р.) зависят от степени переохлаждения. С увеличением степени переохлаждения возрастает число центров кристаллизации и увеличивается скорость их роста; при опредёленной степени переохлаждения наступает максимум.

Однако металлы и сплавы, обладающие в жидком состоянии малой склонностью к переохлаждению, невозможно охладить до таких температур, при которых число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов достигли бы максимума. Поэтому для металлов кривые «Ч.Ц.» и «С.Р.» обрываются уже при малых степенях переохлаждения (сплошные кривые на рисунке 1.2).

С.Р.

Т SТ

Степень переохлаждения Т, С

Рисунок 1.2 – Влияние степени переохлаждения на число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов

Для степени переохлаждения Т скорости образования центров кристаллизации и их роста малы, поэтому процесс кристаллизации протекает медленно, и зёрна получаются крупные (так как образуется мало центров кристаллизации в единице объёма жидкой фазы).

Для степени переохлаждения Т значительно увеличились как скорость зарождения центров кристаллизации, так и скорость их роста, поэтому процесс кристаллизации будет протекать значительно быстрее, чем при степени переохлажденияТ , а так как при этом увеличивается число центров кристаллизации в единице объёма, зёрна получаются мелкие.

Таким образом, изменяя степень переохлаждения, можно получить кристаллиты (зёрна) различной величины. От величины зерна зависят многие свойства сплава. На практике измельчение зерна в сплавах достигается также путём модифицирования, т.е. введением в расплав дисперсных частичек веществ-модификаторов, которые становятся дополнительными центрами кристаллизации.

Процесс кристаллизации металлов и сплавов аналогичен процессу кристаллизации солей из водных растворов. При этом образование кристаллов становится возможным наблюдать при помощи биологического микроскопа при комнатных температурах по мере испарения воды, что удобно и безопасно.

3. Строение металлического слитка

Кристаллы в процессе затвердевания металла могут иметь различную форму в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей. Чаще всего в процессе кристаллизации образуются разветвлённые или древовидные кристаллы, получившие название дендритов. Первоначально образуются длинные ветви, так называемые оси первого порядка (главные оси дендрита). Одновременно с удлинением осей первого порядка на их рёбрах зарождаются и растут перпендикулярные к ним такие же ветви второго порядка. В свою очередь, на осях второго порядка зарождаются оси третьего порядка и т.д.

		– зона мелких зёрен;
		– зона столбчатых кристаллов;
		– зона равноосных кристаллов;
		– усадочная раковина;
		– газовые пузыри, пустоты,
		усадочная рыхлость

Рисунок 1.3 – Схема строения стального слитка спокойной стали

Кристаллизация жидкого металла начинается у поверхности более холодной формы и происходит вначале в примыкающем к поверхности тонком слое сильно переохлаждённой жидкости. Это приводит к образованию на поверхности слитка очень узкой зоны мелких неориентированных зёрен.

За зоной 1 вглубь слитка расположена вторая зона – зона столбчатых кристаллов. Рост этих кристаллов идёт в направлении отвода тепла, и поскольку все кристаллы растут одновременно, то получаются столбчатые (вытянутые) кристаллы, рост которых продолжается до тех пор, пока имеется направленный отвод тепла. В случае сильного перегрева и быстрого охлаждения зона столбчатых кристаллитов может заполнить весь объём слитка.

Этот вид кристаллизации называется транскристаллизацией. Во внутренней части слитка образуется зона 3, состоящая из равноосных различно ориентированных дендритных кристаллов, более крупных вследствие малой скорости охлаждения (вследствие уменьшенияТ ). Так как жидкий металл имеет больший удельный объём, чем твёрдый, то в тойчасти слитка, которая застывает в последнюю очередь, образуется пустота – усадочная раковина. Она обычно окружена наиболее загрязнённым металлом, содержащим микро- и макропоры, газовые пузыри и другие дефекты. Кристаллизация зон слитка, а также осей дендритов происходит не одновременно, поэтому металл слитка имеет неоднородность по химическому составу – зональную и дендритную ликвацию.

4. Оборудование и образцы

Для наблюдения за процессом кристаллизации соли используются биологические микроскопы. Штатив микроскопа представляет собой устойчивое основание, к которому крепятся остальные части микроскопа: тубус, держатель конденсора, револьверная насадка с объективами, окуляр. Как правило, микроскоп снабжён несколькими объективами разного увеличения, размещёнными на револьверной насадке, которая позволяет путём перемещения устанавливать объективы в рабочее положение. Исследование образца обычно начинают с объектива наименьшего увеличения с наибольшим полем зрения. Интересующие детали рассматривают, пользуясь объективами с большим увеличением.

Принципиальная схема биологического микроскопа представлена на рисунке 1.4.

– зеркало;

– предметный стол;

– предметное стекло;

– капля раствора соли;

– объектив;

– тубус микроскопа;

– окуляр;

– глаз наблюдателя.

Рисунок 1.4 – Принципиальная схема биологического микроскопа

Регулирование микроскопа осуществляют следующим образом. Поворачивая стекло 2 к источнику света, добиваются наиболее яркого освещения в окуляре 8. Затем устанавливают предметное стекло 4 с каплей 5 раствора соли на стол 3 так, чтобы можно было наблюдать край капли. Установку фокусного расстояния производят, опуская/поднимая предметный столик 3 относительно тубуса 7, добиваясь чёткого изображения края капли в окуляре 8.

5. Порядок выполнения работы

Изучив теоретическую часть и ознакомившись с заданием к работе, студенты приступают к наблюдению процесса кристаллизации. Для этого выдаётся биологический микроскоп и предметное стекло с каплей пересыщенного водного раствора поваренной соли. Выполнив регулирование микроскопа, устанавливают стекло на предметный стол микроскопа и наблюдают начало процесса кристаллизации у края капли. По мере испарения воды будут расти кристаллы и в следующих зонах капли. Условно изучаемый процесс можно разделить на три периода. Первый – кристаллизация соли у края капли, где количество воды наименьшее. В течение этого периода у края капли образуются мелкие кристаллы правильной формы, так как переохлаждение вызывает образование большого числа центров кристаллизации. В течение второго периода образуются крупные столбчатые кристаллы. Направление их осей нормально к краям капли. В этот период имеют место большая скорость роста кристаллов и ограниченное число центров кристаллизации. В течение третьего периода образуются древовидные (дендритные) кристаллы. При этом количество воды в капле незначительно и испарение её из средней части идёт быстро.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Волжский государственный университет водного транспорта»

ПЕРМСКИЙ ФИЛИАЛ

Е.А . Сазонова

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

СБОРНИК ПРАКТИЧЕСКИХ И ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

26.02.06 «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики»

23.02.01 «Организация перевозок и управление на транспорте» (по видам)

ПЕРМЬ

2016

Введение

Методические рекомендации по выполнению лабораторных и практических работ по учебной дисциплине «Материаловедения» предназначены для студентов среднего профессионального образования по специальности26.02.06 «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики»

В данном методическом пособии приведены указания по выполнению практических и лабораторных работ по темам дисциплины, указаны темы и содержание лабораторных и практических работ, формы контроля по каждой теме и рекомендуемая литература.

В результате освоения данной учебной дисциплины студент должен уметь:

˗ выполнять механические испытания образцов материалов;

˗ использовать физико-химические методы исследования металлов;

˗ пользоваться справочными таблицами для определения свойств материалов;

˗ выбирать материалы для осуществления профессиональной деятельности.

В результате освоения данной учебной дисциплины студент должен знать:

˗ основные свойства и классификацию материалов, использующихся в профессиональной деятельности;

˗ наименование, маркировку, свойства обрабатываемого материала;

˗ правила применения смазывающих и охлаждающих материалов;

˗ основные сведения о металлах и сплавах;

˗ основные сведения о неметаллических, прокладочных,

Уплотнительных и электротехнических материалах, стали, их классификацию.

Лабораторные и практические работы позволят сформировать практические навыки работы, профессиональные компетенции. Они входят в структуру изучения учебной дисциплины «Материаловедения», после изучения темы: 1.1. «Основные сведения о металлах и сплавах», 1.2 «Железоуглеродистые сплавы», 1.3 «Цветные металлы и сплавы».

Лабораторные и практические работы представляют собой элемент учебной дисциплины и оцениваются по критериям, представленным ниже:

Оценка «5» выставляется студенту, если:

˗ тематика работы соответствует заданной, студент показывает системные и полные знания и умения по данному вопросу;

˗ работа оформлена в соответствии с рекомендациями преподавателя;

˗ объем работы соответствует заданному;

˗ работа выполнена точно в сроки, указанные преподавателем.

Оценка «4» выставляется студенту, если:

˗ тематика работы соответствует заданной, студент допускает небольшие неточности или некоторые ошибки в данном вопросе;

˗ работа оформлена с неточностями в оформлении;

˗ объем работы соответствует заданному или чуть меньше;

˗ работа сдана в сроки, указанные преподавателем, или позже, но не более, чем на 1-2 дня.

Оценка «3» выставляется студенту, если:

˗ тематика работы соответствует заданной, но в работе отсутствуют значительные элементы по содержанию работы или тематика изложена нелогично, не четко представлено основное содержание вопроса;

˗ работа оформлена с ошибками в оформлении;

˗ объем работы значительно меньше заданного;

˗ работа сдана с опозданием в сроках на 5-6 дней.

Оценка «2» выставляется студенту, если:

˗ не раскрыта основная тема работы;

˗ работа оформлена не в соответствии с требованиями преподавателя;

˗ объем работы не соответствует заданному;

˗ работа сдана с опозданием в сроках больше 7 дней.

Лабораторные и практические работы по своему содержанию имеют определенную структуру, предлагаем рассмотреть ее: ход работы приведен в начале каждой практической и лабораторной работы; при выполнении практических работ студентами выполняется задание, которое указано в конце работы (пункт «Задание для студентов»); при выполнении лабораторных работ составляется отчет по ее выполнению, содержание отчета указано в конце лабораторной работы (пункт «Содержание отчета»).

При выполнении лабораторных и практических работ студентами выполняются определенные правила, рассмотрите их ниже: лабораторные и практические работы выполняются во время учебных занятий; допускается окончательное оформление лабораторных и практических работ в домашних условиях; разрешается использование дополнительной литературы при выполнении лабораторных и практических работ; перед выполнением лабораторной и практической работы необходимо изучить основные теоретические положения по рассматриваемому вопросу.

Практическая работа № 1

«Физические свойства металлов и методы их изучения»

Цель работы : изучить физические свойства металлов, методы их определения.

Ход работы:

Теоретическая часть

К физическим свойствам относятся: плотность, плавление (температура плавления), теплопроводность, тепловое расширение.

Плотность - количество вещества, содержащееся в единице объема. Это одна из важнейших характеристик металлов и сплавов. По плотности металлы делятся на следующие группы: легкие (плотность не более 5 г/см 3 ) - магний, алюминий, титан и др; тяжелые - (плотность от 5 до 10 г/см 3 ) - железо, никель, медь, цинк, олово и др. (это наиболее обширная группа); очень тяжелые (плотность более 10 г/см 3 ) - молибден, вольфрам, золото, свинец и др. В таблице 1 приведены значения плотности металлов.

Таблица 1

Плотность металлов

Температура плавления - это температура, при которой металл переходит из кристаллического (твердого) состояния в жидкое с поглощением теплоты.

Температура плавления металлов лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые «нормальные» металлы, например олово и свинец, можно расплавить на обычной электрической или газовой плите.

В зависимости от температуры плавления металл подразделяют на следующие группы: легкоплавкие (температура плавления не превышает 600 o С) - цинк, олово, свинец, висмут и др.; среднеплавкие (от 600 o С до 1600 o С) - к ним относятся почти половина металлов, в том числе магний, алюминий, железо, никель, медь, золото; тугоплавкие (более 1600 o С) - вольфрам, молибден, титан, хром и др. При введении в металл добавок температура плавления, как правило, понижается.

Таблица 2

Температура плавления и кипения металлов

Теплопроводность - способность металла с той или иной скоростью проводить теплоту при нагревании.

Электропроводность - способность металла проводить электрический ток.

Тепловое расширение - способность металла увеличивать свой объем при нагревании.

Гладкая поверхность металлов отражает большой процент света - это явление называется металлическим блеском. Однако в порошкообразном состоянии большинство металлов теряют свой блеск; алюминий и магний, тем не менее, сохраняют свой блеск и в порошке. Наиболее хорошо отражают свет алюминий, серебро и палладий - из этих металлов изготовляют зеркала. Для изготовления зеркал иногда применяется и родий, несмотря на его исключительно высокую цену: благодаря значительно большей, чем у серебра или даже палладия, твёрдости и химической стойкости, родиевый слой может быть значительно тоньше, чем серебряный.

Методы исследований в материаловедении

Основными методами исследования в металловедении и материаловедении являются: излом, макроструктура, микроструктура, электронная микроскопия, рентгеновские методы исследования. Рассмотри их особенности более подробно.

1. Излом - самый простой и доступный способ оценки внутреннего строения металлов. Метод оценки изломов, несмотря на свою кажущуюся грубость оценки качества материала, применяется довольно широко в различных отраслях производства и научных исследований. Оценка излома во многих случаях может характеризовать качество материала.

Излом может быть кристаллическим или аморфным. Аморфный излом характерен для материалов, не имеющего кристаллического строения, таких как стекло, канифоль, стекловидные шлаки.

Металлические сплавы, в том числе сталь, чугун, алюминиевые, магниевые сплавы, цинк и его сплавы дают зернистый, кристаллический излом.

Каждая грань кристаллического излома является плоскостью скалывания отдельного зерна. Поэтому излом показывает нам размеры зерна металла. Изучая излом стали, можно видеть, что размер зерна может колебаться в очень широких пределах: от нескольких сантиметров в литой, медленно остывшей, стали до тысячных долей миллиметра в правильно откованной и закаленной стали. В зависимости от размера зерна, излом может быть крупнокристаллический и мелкокристаллический. Обычно мелкокристаллический излом соответствует более высокому качеству металлического сплава.

В случае если разрушение исследуемого образца проходит с предшествующей пластической деформацией, зерна в плоскости излома деформируются, и излом уже не отражает внутреннего кристаллического строения металла; в этом случае излом называется волокнистым. Часто в одном образце в зависимости от уровня его пластичности, в изломе могут быть волокнистые и кристаллические участки. Часто по соотношению площади излома, занятого и кристаллическими участками при данных условиях испытания оценивают качество металла.

Хрупкий кристаллический излом может получаться при разрушении по границам зерен или по плоскостям скольжения, пересекающим зерна. В первом случае излом называется межкристаллитным, во втором транскристаллитным. Иногда, особенно при очень мелком зерне, трудно определить природу излома. В этом случае излом изучают с помощью лупы или бинокулярного микроскопа.

В последнее время развивается отрасль металловедения по фрактографическому изучению изломов на металлографических и электронных микроскопах. При этом находят новые достоинства старого метода исследований в металловедении - исследований излома, применяя к таким исследованиям понятия фрактальных размерностей.

2. Макроструктура - является следующим методом исследования металлов. Макроструктурное исследование заключается в изучении плоскости сечения изделия или образца в продольном, поперечном или любых иных направлениях после травления, без применения увеличительных приборов или при помощи лупы. Достоинством макроструктурного исследования является то обстоятельство, что с помощью этого метода можно изучить структуру непосредственно целой отливки или слитка, поковки, штамповки и т.д. С помощью этого метода исследования можно обнаружить внутренние пороки металла: пузыри, пустоты, трещины, шлаковые включения, исследовать кристаллическое строение отливки, изучать неоднородность кристаллизации слитка и его химическую неоднородность (ликвацию).

С помощью серных отпечатков макрошлифов на фотобумаге по Бауману определяется неравномерность распределения серы по сечению слитков. Большое значение этот метод исследования имеет при исследовании кованых или штампованных заготовок для определения правильности направления волокон в металле.

3. Микроструктура - один из основных методов в металловедении - это исследование микроструктуры металла на металлографических и электронных микроскопах.

Этот метод позволяет изучать микроструктуру металлических объектов с большими увеличениями: от 50 до 2000 раз на оптическом металлографическом микроскопе и от 2 до 200 тыс. раз на электронном микроскопе. Исследование микроструктуры производится на полированных шлифах. На нетравленых шлифах изучается наличие неметаллических включений, таких как оксиды, сульфиды, мелкие шлаковые включения и другие включения, резко отличающиеся от природы основного металла.

Микроструктура металлов и сплавов изучается на травленых шлифах. Травление обычно производится слабыми кислотами, щелочами или другими растворами, в зависимости от природы металла шлифа. Действие травления заключается в том, что он по-разному растворяет различные структурные составляющие, окрашивая их в разные тона или цвета. Границы зерен, отличающиеся от основного раствора имеют травимость обычно отличающуюся от основы и выделяется на шлифе в виде темных или светлых линий.

Видимые под микроскопом полиэдры зерен представляют собой сечения зерен поверхностью шлифа. Так как это сечение является случайным и может проходить на разных расстояниях от центра каждого отдельного зерна, то различие в размерах полиэдров не соответствует действительным различиям в размерах зерен. Наиболее близкой величиной к действительному размеру зерна являются наиболее крупные зерна.

При травлении образца, состоящего из однородных кристаллических зерен, например чистого металла, однородного твердого раствора и др. наблюдается часто различно протравленные поверхности разных зерен.

Это явление объясняется тем, что на поверхности шлифа выходят зерна, имеющие различные кристаллографическую ориентировку, вследствие чего степень воздействия кислоты на эти зерна оказываются разной. Одни зерна выглядят блестящими, другие сильно протравливаются, темнеют. Это потемнение связано с образованием различных фигур травления, по-разному отражающих световые лучи. В случае сплавов, отдельные структурные составляющие образуют микрорельеф на поверхности шлифа, имеющий участки с различным наклоном отдельных поверхностей.

Нормально расположенные участки отражают наибольшее количество света и оказываются наиболее светлыми. Другие участки - более темные. Часто контраст в изображении зернистой структуры связан не со структурой поверхности зерен, а с рельефом у границ зерен. Кроме того, различные оттенки структурных составляющих могут являться результатом образования пленок, образованных при взаимодействии травителя со структурными составляющими.

С помощью металлографического исследования можно осуществлять качественное выявление структурных составляющих сплавов и количественное изучение микроструктур металлов и сплавов, во-первых, путем сравнения с известными изученными микросоставляющими структур и, во-вторых, специальными методами количественной металлографии.

Величина зерна определяется. Методом визуальной оценки, состоящей в том, что рассматриваемая микроструктура, приближенно оценивается баллами стандартных шкал по ГОСТ 5639-68, ГОСТ 5640-68. По соответствующим таблицам, для каждого балла определяется площадь одного зерна и количество зерен на 1 мм 2 и в 1 мм 3 .

Методом подсчета количества зерен на единице поверхности шлифа по соответствующим формулам. Если S - площадь, на которой подсчитывается количество зерен n, а М - увеличение микроскопа, то средняя величина зерна в сечении поверхности шлифа

Определение фазового состава. Фазовый состав сплава чаще оценивают на глаз или путем сравнения структуры со стандартными шкалами.

Приближенный метод количественного определения фазового состава может быть проведен методом секущей с подсчетом протяженности отрезков, занятых разными структурными составляющими. Соотношение этих отрезков соответствует объемному содержанию отдельных составляющих.

Точечный метод А.А. Глаголева. Этот метод осуществляется путем оценки количества точек (точек пересечения окулярной сетки микроскопа), попадающих на поверхности каждой структурной составляющей. Кроме того, методом количественной металлографии производят: определение величины поверхности раздела фаз и зерен; определение числа частиц в объеме; определение ориентации зерен в поликристаллических образцах.

4. Электронная микроскопия. Большое значение в металлографических исследованиях находит в последнее время электронный микроскоп. Несомненно, ему принадлежит большое будущее. Если разрешающая способность оптического микроскопа достигает значений 0,00015 мм = 1500 А, то разрешающая способность электронных микроскопов достигает 5-10 А, т.е. в несколько сот раз больше, чем у оптического.

На электронном микроскопе осуществляют исследование тонких пленок (реплик), снятых с поверхности шлифа или непосредственное изучение тонких металлических пленок, полученных утонением массивного образца.

В наибольшей степени нуждаются в применении электронной микроскопии исследования процессов, связанные с выделением избыточных фаз, например, распад пересыщенных твердых растворов при термическом или деформационном старении.

5. Рентгеновские методы исследования. Одним из наиболее важных методов в установлении кристаллографического строения различных металлов и сплавов является рентгеноструктурный анализ. Этот метод исследования дает возможность определения характера взаимного расположения атомов в кристаллических телах, т.е. решить задачу, не доступную ни обычному, ни электронному микроскопу.

В основе рентгеноструктурного анализа лежит взаимодействие между рентгеновскими лучами и лежащими на их пути атомами исследуемого тела, благодаря которому последние становятся как бы новыми источниками рентгеновских лучей, являясь центрами их рассеяния.

Рассеяние лучей атомами можно уподобить отражению этих лучей от атомных плоскостей кристалла по законам геометрической оптики.

Рентгеновские лучи отражаются не только от плоскостей, лежащих на поверхности, но и от глубинных. Отражаясь от нескольких одинаково ориентированных плоскостей, отраженный луч усиливается. Каждая плоскость кристаллической решетки дает свой пучок отраженных волн. Получив определенное чередование отраженных пучков рентгеновских лучей под определенными углами, рассчитывают межплоскостное расстояние, кристаллографические индексы отражающих плоскостей, в конечном счете, форму и размеры кристаллической решетки.

Практическая часть

Содержание отчета.

1. В отчете необходимо указать название, цель работы.

2. Перечислите основные физические свойства металлов (с определениями).

3. Зафиксируйте в тетради таблицы 1-2. Сделайте выводы по таблицам.

4. Заполните таблицу: «Основные методы исследования в материаловедении».

Ренгеновские

методы исследования

Практическая работа № 2

Тема: «Изучение диаграмм состояния»

Цель работы: ознакомление студентов с основными видами диаграмм состояния, их основными линиями, точками, их значением.

Ход работы:

1.Изучите теоретическую часть.

Теоретическая часть

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от концентрации и температуры (см.рис. 1)

Рис.1 Диаграмма состояния

Диаграммы состояния показывают устойчивые состояния, т.е. состояния, которые при данных условиях обладают минимумом свободной энергии, и поэтому ее также называют диаграммой равновесия, так как она показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы.

Построение диаграмм состояния наиболее часто осуществляется при помощи термического анализа. В результате получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба и температурные остановки.

Температуры, соответствующие фазовым превращениям, называют критическими точками. Некоторые критические точки имеют названия, например, точки отвечающие началу кристаллизации называют точками ликвидус, а концу кристаллизации - точками солидус.

По кривым охлаждения строят диаграмму состава в координатах: по оси абсцисс - концентрация компонентов, по оси ординат - температура. Шкала концентраций показывает содержание компонента В. Основными линиями являются линии ликвидус (1) и солидус (2), а также линии соответствующие фазовым превращениям в твердом состоянии (3, 4).

По диаграмме состояния можно определить температуры фазовых превращений, изменение фазового состава, приблизительно, свойства сплава, виды обработки, которые можно применять для сплава.

Ниже представлены различные типы диаграмм состояния:

Рис.2. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью

компонентов в твердом состоянии (а); кривые охлаждения типичных

сплавов (б)

Анализ полученной диаграммы (рис.2).

1. Количество компонентов: К = 2 (компоненты А и В).

2. Число фаз: f = 2 (жидкая фаза L, кристаллы твердого раствора )

3. Основные линии диаграммы:

acb – линия ликвидус, выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии;

adb – линия солидус, ниже этой линии сплавы находятся в твердом состоянии.

Рис.3. Диаграмма состояния сплавов с отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии (а) и кривые охлаждения сплавов (б)

Анализ диаграммы состояния (рис. 3).

1. Количество компонентов: К = 2 (компоненты А и В);

2. Число фаз: f = 3 (кристаллы компонента А, кристаллы компонента В, жидкая фаза).

3. Основные линии диаграммы:

линия солидус ecf, параллельна оси концентраций стремится к осям компонентов, но не достигает их;

Рис. 4. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (а) и кривые охлаждения типичных сплавов (б)

Анализ диаграммы состояния (рис. 4).

1. Количество компонентов: К = 2 (компоненты А и В);

2. Число фаз: f = 3 (жидкая фаза и кристаллы твердых растворов (раствор компонента В в компоненте А) и (раствор компонента А в компоненте В));

3. Основные линии диаграммы:

линия ликвидус acb, состоит из двух ветвей, сходящихся в одной точке;

линия солидус аdcfb, состоит из трех участков;

dm – линия предельной концентрации компонента В в компоненте А;

fn – линия предельной концентрации компонента А в компоненте В.

Практическая часть

Задание для студентов:

1. Запишите название работы и ее цель.

2. Запишите что такое диаграмма состояния.

Ответьте на вопросы:

1. Как строится диаграмма состояния?

2. Что можно определить по диаграмме состояния?

3. Какие названия имеют основные точки диаграммы?

4. Что указывается на диаграмме по оси абсцисс? Оси ординат?

5. Как называются основные линии диаграммы?

Задание по вариантам:

Студенты отвечают на одни и те же вопросы, различными являются рисунки, по которым необходимо отвечать. 1 вариант дает ответы по рисунку 2, 2 вариант дает ответы по рисунку 3, вариант 3 дает ответы по рисунку 4. Рисунок необходимо зафиксировать в тетрадь.

1. Как называется диаграмма?

2. Назовите сколько компонентов участвуют в образовании сплава?

3. Какими буквами обозначены основные линии диаграммы?

Практическая работа № 3

Тема: «Изучение чугунов»

Цель работы: ознакомление студентов с маркировкой и областью применения чугунов; формирование умения расшифровки марок чугунов.

Ход работы:

Теоретическая часть

Чугун отличается от стали: по составу - более высокое содержание углерода и примесей; по технологическим свойствам - более высокие литейные свойства, малая способность к пластической деформации, почти не используется в сварных конструкциях.

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают: белый чугун – углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск; серый чугун – весь углерод или большая часть находится в свободном состоянии в виде графита, а в связанном состоянии находится не более 0,8 % углерода. Из-за большого количества графита его излом имеет серый цвет; половинчатый – часть углерода находится в свободном состоянии в форме графита, но не менее 2 % углерода находится в форме цементита. Мало используется в технике.

В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов: серый - с пластинчатым графитом; высокопрочный - с шаровидным графитом; ковкий - с хлопьевидным графитом.

Графитовые включения можно рассматривать как соответствующей формы пустоты в структуре чугуна. Около таких дефектов при нагружении концентрируются напряжения, значение которых тем больше, чем острее дефект. Отсюда следует, что графитовые включения пластинчатой формы в максимальной мере разупрочняют металл. Более благоприятна хлопьевидная форма, а оптимальной является шаровидная форма графита. Пластичность зависит от формы таким же образом. Наличие графита наиболее резко снижает сопротивление при жестких способах нагружения: удар; разрыв. Сопротивление сжатию снижается мало.

Серые чугуны

Серый чугун широко применяется в машиностроении, так как легко обрабатывается и обладает хорошими свойствами. В зависимости от прочности серый чугун подразделяют на 10 марок (ГОСТ 1412).

Серые чугуны при малом сопротивлении растяжению имеют достаточно высокое сопротивление сжатию. Структура металлической основы зависит от количества углерода и кремния.

Учитывая малое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать этот материал для деталей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам. В станкостроении это - базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, направляющие; в автостроении - блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления. Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления.

Маркировка серых чугунов: обозначаются индексом СЧ (серый чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на 10 -1 .

Например: СЧ 10 – серый чугун, предел прочности при растяжении 100 Мпа.

Ковкий чугун

Хорошие свойства у отливок обеспечиваются, если в процессе кристаллизации и охлаждения отливок в форме не происходит процесс графитизации. Чтобы предотвратить графитизацию, чугуны должны иметь пониженное содержание углерода и кремния.

Различают 7 марок ковкого чугуна: три с ферритной (КЧ 30 - 6) и четыре с перлитной (КЧ 65 - 3) основой (ГОСТ 1215).

По механическим и технологическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Недостатком ковкого чугуна по сравнению с высокопрочным является ограничение толщины стенок для отливки и необходимость отжига.

Отливки из ковкого чугуна применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.

Из ферритных чугунов изготавливают картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы, хомутики, муфты, фланцы.

Из перлитных чугунов, характеризующихся высокой прочностью, достаточной пластичностью, изготавливают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки.

Маркировка ковкого чугуна: обозначаются индексом КЧ (ковкий чугун) и числами. Первое число соответствует пределу прочности на растяжение, умноженное на 10 -1 , второе число – относительное удлинение.

Например: КЧ 30-6 – ковкий чугун, предел прочности при растяжении 300Мпа, относительное удлинение 6 %.

Высокопрочный чугун

Получают эти чугуны из серых, в результате модифицирования магнием или церием. По сравнению с серыми чугунами, механические свойства повышаются, это вызвано отсутствием неравномерности в распределении напряжений из-за шаровидной формы графита.

Эти чугуны обладают высокой жидкотекучестью, линейная усадка - около 1%. Литейные напряжения в отливках несколько выше, чем для серого чугуна. Из-за высокого модуля упругости достаточно высокая обрабатываемость резанием. Обладают удовлетворительной свариваемостью.

Из высокопрочного чугуна изготовляют тонкостенные отливки (поршневые кольца), шаботы ковочных молотов, станины и рамы прессов и прокатных станов, изложницы, резцедержатели, планшайбы.

Отливки коленчатых валов массой до 2..3 т, взамен кованых валов из стали, обладают более высокой циклической вязкостью, малочувствительны к внешним концентраторам напряжения, обладают лучшими антифрикционными свойствами и значительно дешевле.

Маркировка высокопрочного чугуна: обозначаются индексом ВЧ (высокопрочный чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на 10 -1 .

Например: ВЧ 50 – высокопрочный чугун с пределом прочности на растяжение 500 Мпа.

Практическая часть

Задание для студентов:

1.Запишите название работы, ее цель.

2. Опишите производство чугуна.

3.Заполните таблицу:

3.Высокопрочные

чугуны

Практическая работа № 4

Тема: «Изучение углеродистых и легированных конструкционных сталей»

Цель работы:

Ход работы:

1.Ознакомьтесь с теоретической частью.

2.Выполните задания практической части.

Теоретическая часть

Сталь – это сплав железа с углеродом, в котором углерода содержится в количестве 0 -2,14%. Стали являются наиболее распространенными материалами. Обладают хорошими технологическими свойствами. Изделия получают в результате обработки давлением и резанием.

Качество в зависимости от содержания вредных примесей: серы и фосфора стали подразделяют на стали:

˗ Обыкновенного качества, содержание до 0.06% серы и до 0,07% фосфора.

˗ Качественные - до 0,035% серы и фосфора каждого отдельно.

˗ Высококачественные - до 0.025% серы и фосфора.

˗ Особовысококачественные, до 0,025% фосфора и до 0,015% серы.

Раскисление – это процесс удаления кислорода из стали, т. е. по степени её раскисления, существуют: спокойные стали, т. е., полностью раскисленные; такие стали обозначаются буквами "сп" в конце марки (иногда буквы опускаются); кипящие стали – слабо раскисленные; маркируются буквами "кп"; полуспокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; обозначаются буквами "пс".

Сталь обыкновенного качества подразделяется еще и по поставкам на 3 группы: сталь группы А поставляется потребителям по механическим свойствам (такая сталь может иметь повышенное содержание серы или фосфора); сталь группы Б – по химическому составу; сталь группы В – с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.

Конструкционные стали предназначены для изготовления конструкций, деталей машин и приборов.

Так в России и в странах СНГ (Украина, Казахстан, Белоруссия и др.) принята разработанная раннее в СССР буквенно-цифровая система обозначения марок сталей и сплавов, где согласно ГОСТу, буквами условно обозначаются названия элементов и способов выплавки стали, а цифрами - содержание элементов. До настоящего времени международные организации по стандартизации не выработали единую систему маркировки сталей.

Маркировка конструкционных углеродистых сталей

обыкновенного качества

˗ Обозначают по ГОСТ 380-94 буквами "Ст" и условным номером марки (от 0 до 6) в зависимости от химического состава и механических свойств.

˗ Чем выше содержание углерода и прочностные свойства стали, тем больше её номер.

˗ Буква "Г" после номера марки указывает на повышенное содержание марганца в стали.

˗ Перед маркой указывают группу стали, причем группа "А" в обозначении марки стали не ставится.

˗ Для указания категории стали к обозначению марки добавляют номер в конце соответствующий категории, первую категорию обычно не указывают.

Например:

˗ Ст1кп2 - углеродистая сталь обыкновенного качества, кипящая, № марки 1, второй категории, поставляется потребителям по механическим свойствам (группа А);

˗ ВСт5Г - углеродистая сталь обыкновенного качества с повышенным содержанием марганца, спокойная, № марки 5, первой категории с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В);

˗ ВСт0 - углеродистая сталь обыкновенного качества, номер марки 0, группы Б, первой категории (стали марок Ст0 и Бст0 по степени раскисления не разделяют).

Маркировка конструкционных углеродистых качественных сталей

˗ В соответствии с ГОСТ 1050-88 эти стали маркируются двухзначными числами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента: 05 ; 08 ; 10 ; 25 ; 40, 45 и т.д.

˗ Для спокойных сталей буквы в конце их наименований не добавляются.

Например, 08кп, 10пс, 15, 18кп, 20 и т.д.

˗ Буква Г в марке стали указывает на повышенное содержание марганца.

Например: 14Г, 18Г и т.д.

˗ Самая распространенная группа для изготовления деталей машин (валы, оси, втулки, зубчатые колеса и т.д)

Например:

˗ 10 – конструкционная углеродистая качественная сталь, с содержанием углерода около 0,1 %, спокойная

˗ 45 – конструкционная углеродистая качественная сталь, с содержанием углерода около 0,45%, спокойная

˗ 18 кп – конструкционная углеродистая качественная сталь с содержанием углерода около 0.18%, кипящая

˗ 14Г – конструкционная углеродистая качественная сталь с содержанием углерода около 0,14%, спокойная, с повышенным содержанием марганца.

Маркировка легированных конструкционных сталей

˗ В соответствии с ГОСТ 4543-71 наименования таких сталей состоят из цифр и букв.

˗ Первые цифры марки обозначают среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента.

˗ Буквы указывают на основные легирующие элементы, включенные в сталь.

˗ Цифры после каждой буквы обозначают примерное процентное содержание соответствующего элемента, округленное до целого числа, при содержании легирующего элемента до 1.5% цифра за соответствующей буквой не указывается.

˗ Буква А в конце марки указывает на то, что сталь высококачественная (с пониженным содержанием серы и фосфора)

˗ Н – никель, Х – хром, К – кобальт, М – молибден, В – вольфрам, Т – титан, Д – медь, Г – марганец, С – кремний.

Например:

˗ 12Х2Н4А – конструкционная легированная сталь, высококачественная, с содержанием углерода около 0,12%, хрома около 2%, никеля около 4%

˗ 40ХН – конструкционная легированная сталь, с содержанием углерода около 0,4%, хрома и никеля до 1,5%

Маркировка других групп конструкционных сталей

Рессорно-пружинные стали.

˗ Основной отличительный признак этих сталей – содержание углерода в них должно быть около 0.8% (в этом случае в сталях появляются упругие свойства)

˗ Пружины и рессоры изготовляют из углеродистых (65,70,75,80) и легированных (65С2, 50ХГС, 60С2ХФА, 55ХГР) конструкционных сталей

˗ Эти стали легируют элементами которые повышают предел упругости – кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом, ванадием, бором

Например: 60С2 – сталь конструкционная углеродистая рессорно-пружинная с содержанием углерода около 0,65%, кремния около 2%.

Шарикоподшипниковые стали

˗ ГОСТ 801-78 маркируют буквами "ШХ", после которых указывают содержание хрома в десятых долях процента.

˗ Для сталей, подвергнутых электрошлаковому переплаву, буква Ш добавляется также и в конце их наименований через тире.

Например: ШХ15, ШХ20СГ, ШХ4-Ш.

˗ Из них изготовляют детали для подшипников, также их используют для изготовления деталей, работающих в условиях высоких нагрузок.

Например: ШХ15 – сталь конструкционная шарикоподшипниковая с содержанием углерода 1%, хрома 1,5%

Автоматные стали

˗ ГОСТ 1414-75 начинаются с буквы А (автоматная).

˗ Если сталь при этом легирована свинцом, то ее наименование начинается с букв АС.

˗ Для отражения содержания в сталях остальных элементов используются те же правила, что и для легированных конструкционных сталей. Например: А20, А40Г, АС14, АС38ХГМ

Например: АС40 – сталь конструкционная автоматная, с содержанием углерода 0,4%, свинца 0,15-0,3% (в марке не указывается)

Практическая часть

Задание для студентов:

2. Запишите основные признаки маркировки всех групп конструкционных сталей (обыкновенного качества, качественных сталей, легированных конструкционных сталей, рессорно-пружинных сталей, шарикоподшипниковых сталей, автоматных сталей), с примерами.

Задание по вариантам:

Расшифруйте марки сталей и запишите область применения конкретной марки (т.е. для изготовления чего она предназначена)

Практическая работа № 5

Тема: «Изучение углеродистых и легированных инструментальных сталей»

Цель работы: ознакомление студентов с маркировкой и областью применения конструкционных сталей; формирование умения расшифровки маркировки конструкционных сталей.

Ход работы:

1.Ознакомьтесь с теоретической частью.

2.Выполните задание практической части.

Теоретическая часть

Сталь – это сплав железа с углеродом, в котором углерода содержится в количестве 0-2,14%.

Стали являются наиболее распространенными материалами. Обладают хорошими технологическими свойствами. Изделия получают в результате обработки давлением и резанием.

Достоинством является возможность, получать нужный комплекс свойств, изменяя состав и вид обработки.

В зависимости от назначения стали делятся на 3 группы: конструкционные, инструментальные и стали специального назначения.

Качество в зависимости от содержания вредных примесей: серы и фосфора стали подразделяют на: стали обыкновенного качества, содержание до 0.06% серы и до 0,07% фосфора; качественные - до 0,035% серы и фосфора каждого отдельно; высококачественные - до 0.025% серы и фосфора; особовысококачественные, до 0,025% фосфора и до 0,015% серы.

Инструментальные стали предназначены для изготовления различного инструмента, как для ручной обработки, так и для механической.

Наличие широкого сортамента выпускаемых сталей и сплавов, изготавливаемых в различных странах, обусловило необходимость их идентификации, однако до настоящего времени не существует единой системы маркировки сталей и сплавов, что создает определенные трудности для металлоторговли.

Маркировка углеродистых инструментальных сталей

˗ Данные стали в соответствии с ГОСТ 1435-90 делятся на качественные и высококачественные.

˗ Качественные стали обозначаются буквой У (углеродистая) и цифрой, указывающей среднее содержание углерода в стали, в десятых долях процента.

Например: У7, У8, У9, У10. У7 – углеродистая инструментальная сталь с содержанием углерода около 0.7%

˗ В обозначения высококачественных сталей добавляется буква А (У8А, У12А и т.д.). Кроме того, в обозначениях как качественных, так и высококачественных углеродистых инструментальных сталей может присутствовать буква Г, указывающая на повышенное содержание в стали марганца.

Например: У8Г, У8ГА. У8А – углеродистая инструментальная сталь с содержанием углерода около 0,8%, высококачественная.

˗ Изготовляют инструмент для ручной работы (зубило, кернер, чертилка и т.д.), механической работы на невысоких скоростях (сверла).

Маркировка легированных инструментальных сталей

˗ Правила обозначения инструментальных легированных сталей по ГОСТ 5950-73 в основном те же, что и для конструкционных легированных.

Различие заключается лишь в цифрах, указывающих на массовую долю углерода в стали.

˗ Процентное содержание углерода также указывается в начале наименования стали, в десятых долях процента, а не в сотых, как для конструкционных легированных сталей.

˗ Если же в инструментальной легированной стали содержание углерода составляет около 1.0%, то соответствующую цифру в начале ее наименования обычно не указывают.

Приведем примеры: сталь 4Х2В5МФ, ХВГ, ХВЧ.

˗ 9Х5ВФ – легированная инструментальная сталь, с содержанием углерода около 0,9%, хрома около 5%, ванадия и вольфрама до 1%

Маркировка высоколегированных (быстрорежущих)

инструментальных сталей

˗ Обозначают буквой "Р", следующая за ней цифра указывает на процентное содержание в ней вольфрама: В отличие от легированных сталей в наименованиях быстрорежущих сталей не указывается процентное содержание хрома, т.к. оно составляет около 4% во всех сталях, и углерода (оно пропорционально содержанию ванадия).

˗ Буква Ф, показывающая наличие ванадия, указывается только в том случае, если содержание ванадия составляет более 2.5%.

Например: Р6М5, Р18, Р6 М5Ф3.

˗ Обычно из этих сталей изготовляют высокопроизводительный инструмент: сверла, фрезы и т.д. (для удешевления только рабочую часть)

Например: Р6М5К2 – быстрорежущая сталь, с содержанием углерода около 1%, вольфрама около 6%, хрома около 4%, ванадия до 2,5%, молибдена около 5%, кобальта около 2%.

Практическая часть

Задание для студентов:

1. Запишите название работы, ее цель.

2. Запишите основные принципы маркировки всех групп инструментальных сталей (углеродистых, легированных, высоколегированных)

Задание по вариантам:

1. Расшифруйте марки сталей и запишите область применения конкретной марки (т.е. для изготовления чего она предназначена).

Практическая работа № 6

Тема: «Изучение сплавов на основе меди: латуни, бронзы»

Цель работы: ознакомление студентов с маркировкой и областью применения цветных металлов – меди и сплавов на ее основе: латуней и бронз; формирование умения расшифровки маркировки латуней и бронз.

Рекомендации для студентов:

Ход работы:

1.Ознакомьтесь с теоретической частью.

2.Выполните задание практической части.

Теоретическая часть

Латуни

Латуни могут иметь в своем составе до 45 % цинка. Повышение содержания цинка до 45 % приводит к увеличению предела прочности до 450 МПа. Максимальная пластичность имеет место при содержании цинка около 37 %.

По способу изготовления изделий различают латуни деформируемые и литейные.

Деформируемые латуни маркируются буквой Л, за которой следует число, показывающее содержание меди в процентах, например в латуни Л62 содержится 62 % меди и 38 % цинка. Если кроме меди и цинка, имеются другие элементы, то ставятся их начальные буквы (О - олово, С - свинец, Ж - железо, Ф - фосфор, Мц - марганец, А - алюминий, Ц - цинк).

Количество этих элементов обозначается соответствующими цифрами после числа, показывающего содержание меди, например, сплав ЛАЖ60-1-1 содержит 60 % меди, 1 % алюминия, 1 % железа и 38 % цинка.

Латуни имеют хорошую коррозионную стойкость, которую можно повысить дополнительно присадкой олова. Латунь ЛО70 -1 стойка против коррозии в морской воде и называется “морской латунью“. Добавка никеля и железа повышает механическую прочность до 550 МПа.

Литейные латуни также маркируются буквой Л, После буквенного обозначения основного легирующего элемента (цинк) и каждого последующего ставится цифра, указывающая его усредненное содержание в сплаве. Например, латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2 содержит 23 % цинка, 6 % алюминия, 3 % железа, 2 % марганца. Наилучшей жидкотекучестью обладает латунь марки ЛЦ16К4. К литейным латуням относятся латуни типа ЛС, ЛК, ЛА, ЛАЖ, ЛАЖМц. Литейные латуни не склонны к ликвации, имеют сосредоточенную усадку, отливки получаются с высокой плотностью.

Латуни являются хорошим материалом для конструкций, работающих при отрицательных температурах.

Бронзы

Сплавы меди с другими элементами кроме цинка называются бронзами. Бронзы подразделяются на деформируемые и литейные.

При маркировке деформируемых бронз на первом месте ставятся буквы Бр, затем буквы, указывающие, какие элементы, кроме меди, входят в состав сплава. После букв идут цифры, показывающие содержание компонентов всплаве. Например, марка БрОФ10-1 означает, что в бронзу входит 10 % олова, 1 % ф осфора, остальное - медь.

Маркировка литейных бронз также начинается с букв Бр, затем указываются буквенные обозначения легирующих элементов и ставится цифра, указывающая его усредненное содержание в сплаве. Например, бронза БрО3Ц12С5 содержит 3 % олова, 12 % цинка, 5 % свинца, остальное - медь.

Оловянные бронзы При сплавлении меди с оловом образуются твердые растворы. Эти сплавы очень склонны к ликвации из-за большого температурного интервала кристаллизации. Благодаря ликвации сплавы с содержанием олова выше 5 % является благоприятным для деталей типа подшипников скольжения: мягкая фаза обеспечивает хорошую прирабатываемость, твердые частицы создают износостойкость. Поэтому оловянные бронзы являются хорошими антифрикционными материалами.

Оловянные бронзы имеют низкую объемную усадку (около 0,8 %), поэтому используются в художественном литье. Наличие фосфора обеспечивает хорошую жидкотекучесть. Оловянные бронзы подразделяются на деформируемые и литейные.

В деформируемых бронзах содержание олова не должно превышать 6%, для обеспечения необходимой пластичности, БрОФ6,5-0,15. В зависимости от состава деформируемые бронзы отличаются высокими механическими, антикоррозионными, антифрикционными и упругими свойствами, и используются в различных отраслях промышленности. Из этих сплавов изготавливают прутки, трубы, ленту, проволоку.

Практическая часть

Задание для студентов:

1.Запишите название и цель работы.

2.Заполните таблицу:

Название

сплава, его

определение

Основные

свойства

сплава

Пример

маркировки

Расшифровка

марки

Область

применения

Практическая работа № 7

Тема: «Изучение алюминиевых сплавов»

Цель работы: ознакомление студентов с маркировкой и областью применения цветных металлов – алюминия и сплавов на его основе; изучение особенностей применения алюминиевых сплавов в зависимости от их состава.

Рекомендации для студентов: прежде чем приступить к выполнению практической части задания, внимательно ознакомьтесь с теоретическими положениями, а также лекциями в вашей рабочей тетради по данной теме.

Ход работы:

1.Ознакомьтесь с теоретической частью.

2.Выполните задание практической части.

Теоретическая часть

Принцип маркировки алюминиевых сплавов. В начале указывается тип сплава: Д - сплавы типа дюралюминов; А - технический алюминий; АК -ковкие алюминиевые сплавы; В - высокопрочные сплавы; АЛ - литейные сплавы.

Далее указывается условный номер сплава. За условным номером следует обозначение, характеризующее состояние сплава: М - мягкий (отожженный); Т - термически обработанный (закалка плюс старение); Н -нагартованный; П – полунагартованный.

По технологическим свойствам сплавы подразделяются на три группы:деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой; деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой; литейные сплавы. Методами порошковой металлургии изготовляют спеченные алюминиевые сплавы (САС) и спеченные алюминиевые порошковые сплавы (САП).

Деформируемые литейные сплавы, не упрочняемые термической обработкой.

Прочность алюминия можно повысить легированием. В сплавы, не упрочняемые термической обработкой, вводят марганец или магний. Атомы этих элементов существенно повышают его прочность, снижая пластичность. Обозначаются сплавы: с марганцем - АМц, с магнием - АМг; после обозначения элемента указывается его содержание (АМг3).

Магний действует только как упрочнитель, марганец упрочняет и повышает коррозионную стойкость. Прочность сплавов повышается только в результате деформации в холодном состоянии. Чем больше степень деформации, тем значительнее растет прочность и снижается пластичность. В зависимости от степени упрочнения различают сплавы нагартованные и полунагартованные (АМг3П).

Эти сплавы применяют для изготовления различных сварных емкостей для горючего, азотной и других кислот, мало- и средненагруженных конструкций. Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой.

К таким сплавам относятся дюралюмины (сложные сплавы систем алюминий - медь - магний или алюминий - медь - магний - цинк). Они имеют пониженную коррозионную стойкость, для повышения которой вводится марганец. Дюралюмины обычно подвергаются закалке стемпературы 500 о С и естественному старению, которому предшествует двух-, трехчасовой инкубационный период. Максимальная прочность достигается через 4.5 суток. Широкое применение дюралюмины находят в авиастроении, автомобилестроении, строительстве.

Высокопрочными стареющими сплавами являются сплавы, которые кроме меди и магния содержат цинк. Сплавы В95, В96 имеют предел прочности около 650 МПа. Основной потребитель - авиастроение (обшивка, стрингеры, лонжероны).

Ковочные алюминиевые сплавы АК, АК8 применяются для изготовления поковок. Поковки изготавливаются при температуре 380-450 о С, подвергаются закалке от температуры 500-560 о С и старению при 150-165 о С в течение 6 часов.

В состав алюминиевых сплавов дополнительно вводят никель, железо, титан, которые повышают температуру рекристаллизации и жаропрочность до 300 о С.

Изготавливают поршни, лопатки и диски осевых компрессоров, турбореактивных двигателей.

Литейные сплавы

К литейным сплавам относятся сплавы системы алюминий - кремний (силумины), содержащие 10-13 % кремния. Присадка к силуминам магния, меди содействует эффекту упрочнения литейных сплавов при старении. Титан и цирконий измельчают зерно. Марганец повышает антикоррозионные свойства. Никель и железо повышают жаропрочность.

Литейные сплавы маркируются от АЛ2 до АЛ20. Силумины широко применяют для изготовления литых деталей приборов и других средне - и малонагруженных деталей, в том числе тонкостенных отливок сложной формы.

Практическая часть

Задание для студентов:

1. Запишите название и цель работы.

2. Заполните таблицу:

Название

сплава, его

определение

Основные

свойства

сплава

Пример

маркировки

Расшифровка

марки

Область

применения

Лабораторная работа № 1

Тема: «Механические свойства металлов и методы их изучения (твердость)»

Цель работы:

Ход работы:

1.Ознакомьтесь с теоретическими положениями.

2.Выполните задание преподавателя.

3.Составьте отчет в соответствии с заданием.

Теоретическая часть

Твердостью называют способность материала оказывать сопротивление проникновению в него другого тела. При испытаниях на твердость тело, внедряемое в материал и называемое индентором, должно быть более твердым, иметь определенные размеры и форму, не должно получать остаточной деформации. Испытания на твердость могут быть статическими и динамическими. К первому виду относятся испытания методом вдавливания, ко второму - методом ударного вдавливания. Кроме того, существует метод определения твердости царапанием - склерометрия.

По значению твердости металла можно составить представление об уровне его свойств. Например, чем выше твердость, определенная давливанием наконечника, тем меньше пластичность металла, и наоборот.

Испытания на твердость по методу вдавливания состоят в том, что в образец под действием нагрузки вдавливают индентор (алмазный, из закаленной стали, твердого сплава), имеющий форму шарика, конуса или пирамиды. После снятия нагрузки на образце остается отпечаток, измерив величину которого (диаметр, глубину или диагональ) и сопоставив ее с размерами индентора и величиной нагрузки, можно судить о твердости металла.

Твердость определяется на специальных приборах - твердомерах. Наиболее часто твердость определяют методами Бринелля (ГОСТ 9012-59) и Роквелла (ГОСТ 9013-59).

Существуют общие требования к подготовке образцов и проведению испытаний этими методами:

1. Поверхность образца должна быть чистой, без дефектов.

2. Образцы должны быть определенной толщины. После получения отпечатка на обратной стороне образца не должно быть следов деформации.

3. Образец должен лежать на столике жестко и устойчиво.

4. Нагрузка должна действовать перпендикулярно поверхности образца.

Определение твердости по Бринеллю

Твердость металла по Бринеллю определяют вдавливанием в образец закаленного стального шарика (рис. 1) диаметром 10; 5 или 2,5 мм и выражают числом твердости НВ, полученным делением приложенной нагрузки Р в Н или кгс (1Н = 0,1 кгс) на площадь поверхности образовавшегося на образце отпечатка F в мм

Число твердости по Бринеллю HB выражается отношением приложенной нагрузки F к площади S сферической поверхности отпечатка (лунки) на измеряемой поверхности.

HB = , (Мпа),

где

S – площадь сферической поверхности отпечатка, мм 2 (выражена через D и d );

D – диаметр шарика, мм;

d – диаметр отпечатка, мм;

Величину нагрузки F , диаметр шарика D и продолжительность выдержки под нагрузкой τ, выбирают по таблице 1.

Рисунок 1. Схема измерения твердости по методу Бринелля.

а) Схема вдавливания шарика в испытуемый металл

F D – диаметр шарика, d отп – диаметр отпечатка;

б) Измерение лупой диаметра отпечатка (на рисунке d =4,2 мм).

Таблица 1 .

Выбор диаметра шарика, нагрузки и выдержки под нагрузкой в зависимости

от твердости и толщины образца

более 6

6…3

менее 3

29430 (3000)

7355 (750)

1840 (187,5)

Менее 1400

более 6

6…3

менее 3

9800 (1000)

2450 (750)

613 (62,5)

Цветные металлы и сплавы (медь, латунь, бронза, магниевые сплавы и др.)

350-1300

более 6

6…3

менее 3

9800 (1000)

2450 (750)

613 (62,5)

30

Цветные металлы (алюминий, подшипниковые сплавы и др.)

80-350

более 6

6…3

менее 3

10

5

2,5

2450 (250)

613 (62,5)

153,2 (15,6)

60

На рисунке 2 приведена схема рычажного прибора. Образец устанавливают на предметный столик 4. Вращая маховик 3, винтом 2 поднимают образец до соприкосновения его с шариком 5 и далее до полного сжатия пружины 7, надетой на шпиндель 6. Пружина создает предварительную нагрузку на шарик, равную 1 кН (100 кгс), что обеспечивает устойчивое положение образца во время нагружения. После этого включают электродвигатель 13 и через червячную передачу редуктора 12, шатун 11 и систему рычагов 8,9, расположенных в корпусе 1 твердомера с грузами 10 создает заданную полную нагрузку на шарик. На испытуемом образце получается шаровой отпечаток. После разгрузки прибора образец снимают и определяют диаметр отпечатка специальной лупой. За расчетный диаметр отпечатка принимают среднее арифметическое значение измерений в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Рисунок 2. Схема прибора Бринелля

По выше приведенной формуле, используя измеренный диаметр отпечатка, вычисляется число твердости HB. Число твердости в зависимости от диаметра полученного отпечатка можно также найти по таблицам (см. таблицу чисел твердости).

При измерении твердости шариком диаметром D = 10,0 мм под нагрузкой F = 29430 Н (3000 кгс), с выдержкой τ = 10 с – число твердости записывается так: HB 2335 Мпа или по старому обозначению НВ 238 (в кгс/мм 2 )

При измерении твердости по Бринеллю необходимо помнить следующее:

Можно испытывать материалы с твердостью не более НВ 4500 Мпа, так как при большей твердости образца происходит недопустимая деформация самого шарика;

Во избежание продавливания минимальная толщина образца должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка;

Расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее четырех диаметров отпечатка;

Расстояние от центра отпечатка до боковой поверхности образца должно быть не менее 2,5 d .

Определение твердости по Роквеллу

По методу Роквелла твердость металлов определяют вдавливанием в испытуемый образец шарика из закаленной стали диаметром 1,588 мм или алмазного конуса с углом при вершине 120 о под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р0 = 10 кгс и общей Р, равной сумме предварительной Р0 и основной Р1нагрузок (рис. 3).

Число твердости по Роквеллу HR измеряется в условных безразмерных единицах и определяется по формулам:

HR c = – при вдавливании алмазного конуса

HR в = – при вдавливании стального шарика,

где 100 – число делений черной шкалы С, 130 – число делений красной шкалы В циферблата индикатора, измеряющего глубину вдавливания;

h 0 – глубина вдавливания алмазного конуса или шарика под действием предварительной нагрузки. Мм

h – глубина вдавливания алмазного конуса или шарика под действием общей нагрузки, мм

0,002 – цена деления шкалы циферблата индикатора (перемещение алмазного конуса при измерении твердости на 0,002 мм соответствует перемещению стрелки индикатора на одно деление), мм

Вид наконечника и величина нагрузки выбирается по таблице 2, в зависимости от твердости и толщины испытуемого образца. .

Число твердости по Роквеллу (HR ) является мерой глубины вдавливания индентора и выражается в условных единицах. За единицу твердости принята безразмерная величина, соответствующая осевому перемещению на 0,002 мм. Число твердости по Роквеллу указывается непосредственно стрелкой на шкале С или В индикатора после автоматического снятия основной нагрузки. Твердость одного и того же металла, определенная различными методами выражается различными единицами твердости.

Например, HB 2070, HR c 18 или HR в 95.

Рисунок 3. Схема измерения твердости по Роквеллу

Таблица 2

В

HR В

Стальной шарик

981 (100)

0,7

25…100

по шкале В

от 2000 до 7000 (закаленные стали)

С

HR С

Алмазный конус

1471 (150)

0,7

20…67

по шкале С

От 4000 до 9000 (детали подвергшиеся цементации или азотированию, твердые сплавы и др.)

А

HR А

Алмазный конус

588 (60)

0,4

70…85

по шкале В

Метод Роквелла отличается простотой и высокой производительностью, обеспечивает сохранение качественной поверхности после испытания, позволяет испытывать металлы и сплавы, как низкой, так и высокой твердости. Этот метод не рекомендуется применять для сплавов с неоднородной структурой (чугуны серые, ковкие и высокопрочные, антифрикционные подшипниковые сплавы и др.).

Практическая часть

Содержание отчета.

Укажите название работы, ее цель.

Ответьте на вопросы:

1. Что называется твердостью?

2. В чем сущность определения твердости?

3. Какие 2 метода определения твердости вы знаете? В чем их отличие?

4. Как необходимо подготовить образец к испытанию?

5. Чем объяснить отсутствие универсального метода определения твердости?

6. Почему из многих механических характеристик материалов наиболее часто определяют твердость?

7. Зафиксируйте в тетради схему определения твердость по Бриннелю и по Роквеллу.

Лабораторная работа № 2

Тема: «Механические свойства металлов и методы их изучения (прочность, упругость)»

Цель работы: изучить механические свойства металлов, методы их изучения.

Ход работы:

1.Ознакомьтесь с теоретическими положениями.

2.Выполните задание преподавателя.

3.Составьте отчет в соответствии с заданием.

Теоретическая часть

Основными механическими свойствами являются прочность, упругость, вязкость, твердость. Зная механические свойства, конструктор обоснованно выбирает соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность конструкций при их минимальной массе.

Механические свойства определяют поведение материала при деформации и разрушении от действия внешних нагрузок. В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при:

1. Статическом нагружении - нагрузка на образец возрастает медленно и плавно.

2. Динамическом нагружении - нагрузка возрастает с большой скоростью, имеет ударный характер.

3. Повторно-переменном или циклическим нагружении - нагрузка в процессе испытания многократно изменяется по величине или по величине и направлению.

Для получения сопоставимых результатов образцы и методика проведения механических испытаний регламентированы ГОСТами. При статическом испытании на растяжение: ГОСТ 1497 получают характеристики прочности и пластичности.

Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению.

Пластичность – это способность материала изменять свои размеры и форму под воздействием внешних сил; мера пластичности – величина остаточной деформации.

Устройство, определяющее прочность и пластичность – это разрывная машина, которая записывает диаграмму растяжения (см. рис. 4), выражающую зависимость между удлинением образца и действующей нагрузкой.

Рис. 4. Диаграмма растяжения: а – абсолютная, б – относительная.

Участок оа на диаграмме соответствует упругой деформации материала, когда соблюдается закон Гука. Напряжение, соответствующее упругой предельной деформации в точке а, называется пределом пропорциональности.

Предел пропорциональности – это наибольшее напряжение, до достижения которого справедлив закон Гука.

При напряжениях выше предела пропорциональности происходит равномерная пластическая деформация (удлинение или сужение сечения).

Точка b – предел упругости – наибольшее напряжение, до достижения которого в образце не возникает остаточной деформации.

Площадка сd – площадка текучести, она соответствует пределу текучести – это напряжение, при котором в образце происходит увеличение деформации без увеличения нагрузки (материал «течет»).

Многие марки стали, цветных металлов не имеют ярко выраженной площадки текучести, поэтому для них устанавливают условный предел текучести. Условный предел текучести – это напряжение, которое соответствует остаточной деформации равной 0,2% от первоначальной длины образца (сталь легированная, бронза, дюралюминий и др. материалы).

Точка В соответствует пределу прочность (на образце появляется местное утоньшение – шейка, образование утоньшения характерно для пластичных материалов).

Предел прочности – это максимальное напряжение, которое выдерживает образец до разрешения (временное сопротивление разрыву).

За точкой В нагрузка падает (вследствие удлинения шейки) и разрушение происходит в точке К.

Практическая часть.

Содержание отчета.

1. Укажите название работы, ее цель.

2. Какие механические свойства вы знаете? Какими методами определяются механические свойства материалов?

3. Запишите определение понятий прочность и пластичность. Какими методами они определяются? Как называется устройство, которое определяет эти свойства? С помощью чего определяются свойства?

4. Зафиксируйте абсолютную диаграмму растяжения пластичного материала.

5. После диаграммы укажите названия всех точек и участков диаграммы.

6. Какой предел является основной характеристикой при выборе материала для изготовления какого-либо изделия? Ответ обоснуйте.

7. Какие материалы более надежны в работе хрупкие или пластичные? Ответ обоснуйте.

Список литературы

Основная:

Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение (металлообработка). – М.: ОИЦ «Академия», 2009 – 240 с.

Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение и технология материалов. – М.: ФОРУМ, 2010 – 336 с.

Чумаченко Ю.Т. Материаловедение и слесарное дело (НПО и СПО). – Ростов н/Д.: Феникс, 2013 – 395 с.

Дополнительная:

Жуковец И.И. Механические испытания металлов. – М.: Высш.шк., 1986. – 199 с.

Лахтин Ю.М. Основы материаловедения. – М.: Металлургия, 1988.

Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1990.

Электронные ресурсы:

1. Журнал «Материаловедение». (Электронный ресурс) – форма доступа http://www.nait.ru/journals/index.php?p_journal_id=2.

2. Материаловедение: образовательный ресурс, форма доступа http:// www.supermetalloved/narod.ru.

3. Марочник сталей. (Электронный ресурс) – форма доступа www.splav.kharkov.com.

4. Федеральный центр информационно-образовательных ресурсов. (Электронный ресурс) – форма доступа www.fcior.ru.

Вопросы к экзамену для 2 курса факультета ИМ
Вопросы к экзамену для магистрантов 1 курса ИМ

Лабораторные работы

Лабораторные журналы по курсу «Материаловедение»

(На лабораторных работах студентам необходимо иметь при себе распечатанную версию лабораторных журналов)

Лабораторные работы по курсу «Материаловедение»

Laboratory work on the course «Materials Science»

Основная учебная и учебно-методическая литература по читаемым на кафедре дисциплинам

Цикл Материаловедение

1. Богодухов С.И., Козик Е.С. Материаловедение. Учебник для вузов. – М.: Машиностроение, 2015. – 504 с.
2. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение. Учебник для вузов. – СПб.: ХИМИЗДАТ, 2007. – 784 с.
3. Арзамасов В.Б., Черепахин А.А. Материаловедение. Учебник. – М.: Экзамен, 2009. – 352 с.: ил.
4. Оськин В.А., Байкалова В.Н., Карпенков В.Ф. Практикум по материаловедению и технологии конструкционных материалов: Учебное пособие для вузов (под ред. Оськина В.А., Байкаловой В.Н.) . – М.: КолосС, 2007. – 318 с.: ил.
5. Материаловедение и технология металлов: учебник для вузов / Г.П. Фетисов и др. – 6-е изд., доп. – М.: Высшая школа, 2008. – 878 с.
6. Материаловедение и технология металлов: учебник для вузов по машиностроительным специальностям/ Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман и др. – М.: Высшая школа, 2009. – 637 с.
7. Медведева М.Л., Прыгаев А.К. Тетрадь по материаловедению. Методическое пособие – М.: Издательский центр РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2010, 90 с.
8. Ефименко Л.А., Елагина О.Ю., Прыгаев А.К., Вышемирский Е.М., Капустин О.Е., Мурадов А.В. Перспективные и традиционные трубные стали для строительства газонефтепроводов. Монография. – М.: Логос, 2011, 336 с.
9. Прыгаев А.К., Куракин И.Б., Васильев А.А., Кривошеев Ю.В. Обоснование выбора конструкционных материалов и разработка режимов их термической обработки для изготовления деталей машин и оборудования нефтегазовой отрасли. Методическое пособие к курсовой работе по дисциплине "Материаловедение" – М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2015
10. Фектистов Г.П., Карпман М.Г., Миатюхин В.М. и др. Материаловедение и технология материалов. – М.: Высшая школа, 2000 г.
11. Гуляев А.П. Материаловедение. – М.: Металлургия, 1986 г.
12. Ефименко Л.А., Прыгаев А.К., Елагина О.Ю. Металловедение и термическая обработка сварных соединений. Учебное пособие. – М.: Логос, 2007. - 455 с.: ил.
13. Методические руководства к лабораторным работам по курсу «Материаловедение» ч. 1 и ч. 2, – М.: РГУ нефти и газа, 2000 г.
14. Трофимова Г.А. Методические руководства к лабораторным работам «Построение и анализ термомеханической кривой для аморфных полимеров» и «Определение механических свойств пластмасс и резин». – М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 1999 г.

Цикл Коррозия и защита оборудования НГП

1. Семенова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В. Коррозия и защита от коррозии. – М: Физматлит, 2010. – 416 с.
2. Медведева М.Л. Коррозия и защита оборудования при переработке нефти и газа. Учебное пособие. М.: ФГУП изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2005. – 312 с.: ил.
3. Медведева М.Л., Мурадов А.В., Прыгаев А.К. Коррозия и защита магистральных трубопроводов и резервуаров: Учебное пособие для вузов нефтегазового профиля. – М.: Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2013. – 250 с.
4. Сорокин Г.М., Ефремов А.П., Саакиян Л.С. Коррозионно-механическое изнашивание сталей и сплавов. -М.: Нефть и газ, 2002 г.

Цикл Трибология

1. Сорокин Г.М., Малышев В.Н., Куракин И.Б. Трибология сталей и сплавов: Учебное пособие для вузов. – М.: Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина, 2013. – 383 с.: ил.
2. Сорокин Г.М., Куракиным И.Б. Системный анализ и комплексные критерии прочности сталей. – М.: ООО «Издательский дом Недра», 2011. – 101 с.
3. Сорокин Г.М. Трибология сталей и сплавов. М.: Недра, 2000 г.
4. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М. Механическое изнашивание сталей и сплавов: Учебное пособие для вузов. – М.: Недра, 1996. – 364 с.: ил.
5. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М. Износостойкость сталей и сплавов: Учебное пособие для вузов. – М.: Нефть и газ, 1994. – 417 с.: ил. 246.

Тема: Изучение процесса кристаллизации металлов

Цель работы: изучить механизм кристаллизации металлов, энергетические условия протекания процесса кристаллизации.

Порядок выполнения работы

1. Изучить теоретические сведения.

2. В тетради для практических работ письменно ответить на контрольные вопросы.

Теоретические сведения

Общее свойство металлов и сплавов - их кристаллическое строение, которое характеризуется определенным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристаллической структуры применяют понятие кристаллической ячейки - наименьшего объема, трансляция которого по всем измерениям может полностью воспроизвести структуру кристалла. В реальном кристалле атомы или ионы сближены друг с другом до состояния непосредственного соприкосновения, но для простоты их заменяют схемами, где центры притяжения атомов или ионов изображены точками; наиболее характерные для металлов ячейки показаны на рис. 1.1.

Рис.1.1. Типы кристаллических решеток и расположение в них атомов:

а) гранецентрированная (ГЦК), б) объемноцентрированная (ОЦК), в) гексагональная плотноупакованная (ГЩ)

Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном, а переход из одного состояния в другое происходит при определенной температуре и давлении. Большинство технологических процессов происходит при атмосферном давлении, тогда фазовые переходы характеризуются температурой кристаллизации (плавления), сублимации и кипения (испарения).

При увеличении температуры твердого тела растет подвижность атомов в узлах кристаллической ячейки, увеличивается их амплитуда колебаний. При достижении температуры плавления энергии атомов становится достаточно, чтобы покинуть ячейку - она ​​разрушается с образованием жидкой фазы. Температура плавления является важной физической константой материалов. Среди металлов самую низкую температуру плавления имеет ртуть (-38,9 ° С), а наибольшее - вольфрам (3410 ° С).

Обратная картина имеет место при охлаждении жидкости с ее дальнейшим затвердеванием. Вблизи температуры плавления образуются группы атомов, упакованных в ячейки, как в твердом теле. Эти группы являются центрами (зародышами) кристаллизации, на них потом нарастает слой кристаллов. При достижении той же температуры плавления материал переходит в жидкое состояние с образованием кристаллической решетки.

Кристаллизация - переход металла из жидкого состояния в твердое при определенной температуре. Согласно закону термодинаміки, любая система стремится перейти в состояние с минимальным значением свободной энергий - составной внутренней энергии, которая изотермически может быть преобразована в работу. Поэтому металл затвердевает, когда меньше свободной энергией обладает твердое состояние и плавится, когда меньше свободная энергия в жидком состоянии.

Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов: зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров. Как отмечалось выше, при близкой к кристаллизации температуре начинается образование новой структуры - центра кристаллизации. С увеличением степени переохлаждения увеличивается количество таких центров, вокруг которых начинают расти кристаллы. В то же время в жидкой фазе образуются новые центры кристаллизации, поэтому увеличение твердой фазы одновременно происходит как за счет возникновения новых центров, так и за счет роста существующих. Суммарная скорость кристаллизации зависит от хода обоих процессов, причем скорости зарождения центров и роста кристаллов зависят от степени переохлаждения ΔТ. На рис. 1.2 схематично показан механизм кристаллизации.

Рис. 1.2. Механизм кристаллизации

Реальные кристаллы называются кристаллитами, они имеют неправильную форму, что объясняется их одновременным ростом. Зародышами кристаллизации могут быть флуктуации основного металла, примеси и различные твердые частицы.

Размеры зерен зависят от степени переохлаждения: при малых значениях ΔТ скорость роста кристаллов велика, поэтому образуется незначительное количество крупных кристаллитов. Увеличение ΔТ приводит к увеличению скорости образования зародышей, количество кристаллитов существенно увеличивается, а их размеры уменьшаются. Однако главную роль при формировании структуры металла играют примеси (неметаллические включения, окислы, продукты раскисления) - чем их больше, тем меньше размеры зерен. Иногда специально проводят модифицирование металла - намеренное введение примесей с целью уменьшения размеров зерен.

При образовании кристаллической структуры важную роль играет направление отвода теплоты, ведь кристалл растет быстрее именно в этом направлении. Зависимость скорости роста от направления приводит к образованию разветвленных древовидных кристаллов - дендритов (рис. 1.3).

Рис. 1.3 Дендритный кристалл

При переходе из жидкого состояния в твердое всегда имеет место избирательная кристаллизация - в первую очередь твердеет более чистый металл. Поэтому границы зерен больше обогащенны примесями, а неоднородность химического состава в пределах дендритов называется дендритной ликвацией.

На рис. 1.4. показано строение стального слитка, в котором можно выделить 3 характерные зоны: мелкозернистую 1, зону столбчатых кристаллов 2 и зону равновесных кристаллов 3. Зона 1 состоит из большого количества неориентированных в пространстве кристаллов, образованных под действием значительной разницы температур между жидким металлом и холодными стенками.

Рис. 1.4. Строение стального слитка

После образования внешней зоны условия отвода теплоты ухудшаются, переохлаждения уменьшается и центров кристаллизации возникает меньше. Из них начинают расти кристаллы в направлении отвода теплоты (перпендикулярно стенкам формы), образуя зону 2. В зоне 3 не существует четкого направления отвода теплоты, а зародышами кристаллизации в ней есть посторонние частицы, вытесненные при кристаллизации предыдущих зон.

Контрольные вопросы

1. В каких агрегатных состояниях может существовать материал?

2. Что называется фазовым превращением І рода?

3. Какой процесс называется кристаллизацией, к какому типу фазового превращения он относится?

4. Опишите механизм кристаллизации металла и условия, необходимые для его запуска.

5. Чем вызвана дендритная форма кристаллов?

6. Опишите структуру металлического слитка