Короткі теоретичні відомості. Лабораторні роботи з курсу «Матеріалознавство

Представлено методичну розробку практичного заняття для навчальної дисципліни ВП 08 «Матеріалознавство» за спеціальністю середньої професійної освіти 22.02.06 "Зварювальне виробництво".

У ході проведення даної роботи учні вивчають види та характеристики кристалічних ґрат металів, впливу кристалічних ґрат на структуру та властивості металів та їх сплавів.

Після закінчення роботи учням пропонується відповісти на контрольні питання.

Завантажити:

Попередній перегляд:

Методичні вказівки до практичної роботи на тему «Вивчення типів кристалічних решіток та їх вплив на структуру та властивості металів та їх сплавів» для студентів другого курсу за спеціальністю середньої професійної освіти 22.02.06 "Зварювальне виробництво» з навчальної дисципліни ВП 08 «Матеріалознавство»

Никифорук Тетяна Олексіївна.

викладач спеціальних дисциплін,

ТОДБПОУ «Багатогалузевий коледж»,

м. Моршанськ, Тамбовська область

м. Моршанськ, 2016 рік

Основні теоретичні положення

1. Атомно-кристалічна будова металів 3
2. Перетворення у твердому стані. Поліморфізм 6
3. Порядок виконання практичної роботи 8
4. Зміст звіту практичної роботи 8

Мета роботи: Ознайомитися з видами та характеристикою кристалічних ґрат металів. Вивчити впливи кристалічних ґрат на структуру та властивості металів.

Основні теоретичні положення

1. АТОМНО-КРИСТАЛИЧНЕ БУДОВА МЕТАЛІВ.

Металеві матеріали. 83 із відомих 112 хімічних елементів таблиці Менделєєва Д. І. є металами. Вони мають ряд характерних властивостей:

- високою тепло- та електропровідністю;

- позитивним коефіцієнтом електроопору (з підвищенням температури електроопір зростає);

- термоелектронною емісією (випусканням електронів при нагріванні);

- гарною відбивною здатністю (блиском);

- здатністю до пластичної деформації;

Поліморфізм.

Наявність перелічених властивостей обумовлено металевим станом речовини, головним з яких є наявність легкорухливих колективізованих електронів провідності.

Металевий стан виникає в сукупності атомів, коли при їх зближенні зовнішні (валентні) електрони втрачають зв'язок з окремими атомами, стають загальними та вільно переміщуються між позитивно зарядженими, періодично розташованими іонами. Сили тяжіння (сили зв'язку) у твердих тілах суттєво відрізняються за своєю природою. Зазвичай розглядають чотири основні типи зв'язків у твердих тілах: ван-дер-ваальсові, ковалентні, металеві, іонні.

Під атомно-кристалічної структурою розуміють взаємне розташування атомів у кристалі. Кристал складається з атомів (іонів), розташованих у певному порядку, який періодично повторюється у трьох вимірах.

Найменший комплекс атомів, який при багаторазовому повторенні у просторі дозволяє відтворити просторову кристалічну решітку, називають елементарним осередком.

Для характеристики елементарного осередку використовують параметри кристалічної решітки:

Три ребра а, в, з , що вимірюються в ангстремах (1Å = 1* 10-8 см) або в кілоіксах – kX (1kX = 1,00202 Å) та три кутиα , β , γ , ;

Компактність структуриη - відношення обсягу, займаного атомами, до обсягу осередку (для ґрат ОЦКη = 64%, для ґрат ГЦКη = 74%);

Координаційне число К - число найближчих сусідів даного атома: для ґрат ОЦК це число одно 8, тобто. атоми, що у вершині, належать восьми елементарним осередкам (рис.1.а), для грати ГЦК це число одно 12, тобто. атоми, що у вершині, належать дванадцяти елементарним осередкам (рис. 1.б).

Рисунок 1. Схема визначення координаційного числа кристалічних ґрат:

а - ГЦК;

б - ОЦК;

в – ГПУ

Найпростішим типом кристалічного осередку є кубічні грати. У простій кубічній решітці атоми розташовані (упаковані) недостатньо щільно.

Прагнення атомів металу зайняти місця, близькі один до одного, призводить до утворення ґрат інших типів (рис. 2.):

Об'ємноцентровані кубічні грати (ОЦК) (рис.2.а) з параметром

а = 0,28 - 0,6 мм = 2,8 - 6,0 Å

Гранецентровані кубічні грати (ГЦК) (рис.2.б) з параметром

а = 0,25 мм

Гексагональні щільно упаковані грати (ГПУ) (рис.2.в) з параметром

з/а ≈ 1,633

Рисунок 2. Кристалічні ґрати: а – гранецентрований куб (ОЦК); б - об'ємноцентрований куб (ГЦК); в-гексагональна щільно упакована (ГПУ)

Вузли (положення атомів), напрями у площині та у просторі позначаються з допомогою про індексів Міллера (рис.3).

Індекси вузла записуються – (mnp),

Індекси напряму записуються –[ mnp ] ,

Індекс поверхні записуються – (hk1).

Рисунок 3. Символи деяких найважливіших вузлів, напрямків та площин у кубічній решітці.

Внаслідок неоднакової щільності атомів у різних площинах і напрямках ґрати багато властивостей окремо взятого кристала (хімічні, фізичні, механічні) у цьому напрямі від властивостей у іншому напрямі і, природно, залежить від цього, скільки атомів зустрічається у цьому напрямі.

Відмінність властивостей залежно від напрямку випробування зветься анізотропією.

Усі кристали анізотропні.

Анізотропія – особливість будь-якого кристала, характерна кристалічної будови.

Технічні метали полікристалами, тобто. складаються із сукупності кристаллітів з різною орієнтацією. У цьому властивості у всіх напрямах усереднюються.

1. ПЕРЕТВОРЕННЯ У ТВЕРДОМУ СТАНІ. Поліморфізм.

Атоми даного елемента можуть утворити, якщо виходити лише з геометричних міркувань, будь-яку кристалічну решітку. Однак стійким, а отже, реально існуючим типом є грати, що мають найнижчий запас вільної енергії.

Так, різні метали утворюють різні види кристалічних ґрат:

Li, Na, K, Mo, W - ОЦК;

- Al, Ca, Cu, Au, Pt - ГЦК;

Mg, Zr, Hf – ГПУ.

Однак у ряді випадків при зміні температури або тиску може виявитися, що для того самого металу більш стійкою буде інша решітка, ніж та, яка існує при даній температурі або тиску. Так, наприклад, існує залізо з ґратами об'ємно-центрованого та гранецентрованого кубів, виявлено кобальт з гранецентрованою та з гексагональною решітками (рис.4).

Існування однієї й тієї ж металу (речовини) у кількох кристалічних формах зветься поліморфізму чи алотропии.

Різні кристалічні форми однієї речовини називаються поліморфними чи алотропічними модифікаціями (таблиця 1).

Алотропічні форми позначаються грецькими літерамиα , β , γ і т.д., які у вигляді індексів додають символу, що позначає елемент. Алотропічна форма при найнижчій температурі позначається буквоюα наступна - β і т. д.

Явище поліморфізму ґрунтується на єдиному законі про стійкість стану з найменшим запасом енергії. Запас вільної енергії залежить від температури. Тому в одному інтервалі температур стійкішою є одна модифікація, а в іншому – інша.

Температура, коли він здійснюється перехід із однієї модифікації на іншу, зветься температури поліморфного (аллотропического) перетворення.

Механізм зростання кристалів нової фази може бути нормальним кристалізаційним та мартенситним.

Нормальний механізм зростання - це зародження нової фази на межах зерен, блоків, фрагментів при малих ступенях переохолодження (Snα ↔ Sn β).

Мартенситний механізм реалізується за низьких температур і великого ступеня переохолодження, за малої дифузійної рухливості атомів шляхом їх зсуву (зміщення) за певними кристалографічними площинами та напрямками. Нова фаза має форму голок та росте дуже швидко (Coα ↔ Co β).

Алотропічне перетворення супроводжується зміною властивостей, обсягу та появою внутрішньої напруги.

Рисунок 4. Елементарні осередки кристалічних ґрат:

I - кубічна об'ємно-центрована (α-залізо),

II - кубічна гранецентрована (мідь),

III - гексагональна щільноупакована;

а і с – параметри решіток.

Таблиця 1. Алотропічні модифікації металів.

Метал		Група		Модифікація		Кристалічна решітка
Кальцій		II-A		Сa α до 450 Ca αβ 450-851		Кубічна гранецентрована
Галій		III-B		Ga α Ga β		Ромбічна Тетрагональна
Талій		III-B		Tl α до 262 Tl β 262-304		Гексагональна щільноупакована
Титан		IV-A		Ti α до 882 Ti β 882-1725		Гексагональна щільноупакована Кубічна об'ємноцентрована
Цирконій		IV-A		Zr α до 862 Zr β 862-1830		Гексагональна щільноупакована Кубічна об'ємноцентрована
Гафній		IV-A		Hf α до 1610 Hf β 1610-1952		Гексагональна Кубічна об'ємноцентрована
Олово		IV-B		Sn α до 18 Sn β 18-232		Алмазна Тетрагональна об'ємноцентрована
Вольфрам		VI-A		W α до 650 W β 650-3400		Кубічна об'ємноцентрована Складна (нерозшифрована)
Уран		VI-A		U α до 660 U β 660-770

ФЕДЕРАЛЬНА АГЕНЦІЯ З ОСВІТИ Державна освітня установа вищої професійної освіти

«Південно-Російський державний університет економіки та сервісу» (ГОУ ВПО «ЮРГУЕС»)

МАТЕРІАЛОВЕДЕННЯ

ТЕХНОЛОГІЯ КОНСТРУКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ

Лабораторний практикум

для студентів спеціальностей 190601, 190603, 200503, 260704

очної та заочної форм навчання

ШАХТИ ГОУ ВПО «ЮРГУЕС»

УДК 620.1(076.5) ББК 30.3я73

Укладачі:

к.т.н., доцент кафедри «Прикладна механіка та конструювання машин»

Ю.Є. Чортів

к.т.н., ст. викладач кафедри «Прикладна механіка та конструювання машин»

С.М. Байбара

Рецензенти:

к.т.н., професор, зав. кафедрою "Технічна експлуатація автомобілів"

Ю.Г. Сапронов

к.т.н., професор кафедри «Технологія виробів зі шкіри, стандартизація та сертифікація»

М341 Матеріалознавство: Технологія конструкційних матеріалів: лабораторний практикум / укладачі Ю.Є. Чортов, С.М. Байбар. - Шахти: ГОУ ВПО "ЮРГУЕС", 2010. - 71 с.

Використання лабораторного практикуму дозволить закріпити лекційний матеріал, забезпечити самостійне вивчення окремих дидактичних одиниць дисципліни, успішне виконання контрольних робіт та самостійних завдань.

Призначений для студентів спеціальностей 190601, 190603, 200503, 260704 очної та заочної форм навчання.

УДК 620.1(076.5) ББК 30.3я73

Режим доступу до електронного аналога друкованого видання: http://www.libdb.sssu.ru

© ГОУ ВПО « Південно-Російський державнийуніверситет економіки та сервісу» , 20 10

ПЕРЕДМОВА ................................................. ..........................................
Лабораторна робота №1.Вивчення процесу кристалізації
Лабораторна робота №2.Вивчення макро- та мікроструктури
металів та сплавів............................................... ........................................
Лабораторна робота №3.Вивчення діаграм стану
подвійних сплавів................................................ ...........................................
Лабораторна робота №4.Дослідження фазових перетворень
по діаграмі стану залізо-цементит............................................ ......
Лабораторна робота №5.Методи вимірювання твердості металів...
Лабораторна робота №6.Вплив термічної обробки
на механічні властивості конструкційної сталі....................................
Лабораторна робота №7.Формоутворення заготовок литтям
у піщані форми............................................... ..........................................
Лабораторна робота №8.Вивчення способів електричної
зварювання металів................................................ ............................................
Лабораторна робота №9.Вивчення способів виготовлення
виробів із пластмас............................................... .....................................
БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК................................................ ..........

ПЕРЕДМОВА

Майбутньому спеціалісту - випускнику вищого навчального закладу доведеться працювати в умовах виробництва, що швидко змінюються. Вже зараз цикл оновлення технології в деяких галузях промисловості коротший за період навчання в інституті чи університеті. Тому підготовка фахівців нового типу, які вміють швидко адаптуватися до нових умов роботи підприємств, є одним із основних завдань вузу.

Лабораторний практикум, як форма навчальних занять, максимально сприяє активізації мисленнєвої діяльності студентів та виробленню у них навичок творчого застосування на практиці отриманих знань.

Пропоновані лабораторні роботи дозволять студентам глибше вивчити теоретичні положення курсу «Матеріалознавство», отримати практичні навички вивчення структури та властивостей металевих машинобудівних матеріалів, оцінки впливу на структуру та властивості металів різних видів їхньої термічної обробки.

Виконання лабораторних робіт в умовах різкого скорочення обсягу лекцій, що читаються, часто не співпадає з порядком викладу лекційного курсу. Тому кожна робота містить загальні теоретичні відомості, які полегшать самостійну підготовку студента до виконання роботи, сприяючи свідомому її проведенню та розумінню отриманих результатів.

Лабораторний практикум підготовлений відповідно до вимог ДСТУ з дисципліни «Матеріалознавство. ТКМ для студентів машинобудівних спеціальностей вищих навчальних закладів.

Лабораторна робота № 1 ВИВЧЕННЯ ПРОЦЕСУ КРИСТАЛІЗАЦІЇ МЕТАЛІВ І СПЛАВІВ

Мета роботи: вивчення процесу переходу металевих матеріалів (металів та сплавів) з рідкого в твердий агрегатний стан з урахуванням впливу зовнішніх факторів, а також вивчення будови сталевого зливка.

1. Дати коротку характеристику металів, сплавів та процесів їх кристалізації.

2. Ознайомитись із пристроєм біологічного мікроскопа.

3. Провести спостереження за кристалізацією солей із перенасичених водних розчинів.

4. Замалювати, спостерігаючи кристалізацію краплі, найбільш характерні зони і дати пояснення. Розмір малюнка – коло 50 мм.

5. Замалювати поздовжній та поперечний розрізи сталевого зливка. Дати пояснення наявності трьох зон у злитку.

6. Оформити письмовий звіт щодо роботи.

Загальні відомості з теорії

1. Коротка характеристика металів та сплавів

Метали та сплави є найважливішими конструкційними матеріалами, що широко застосовуються в техніці. Металам крім блиску та пластичності притаманні високі теплопровідність та електропровідність.

Одержання хімічно чистих металів пов'язані з значними труднощами, а значення їх механічних показників не високі. У зв'язку із цим у техніці повсюдно використовуються сплави металів.

Сплави – це складні речовини, до складу яких входить кілька металів чи металів та неметалів. Металеві сплави мають зазначені вище властивості чистих металів.

Металеві матеріали в твердому агрегатному стані мають кристалічну будову, при якій позитивно заряджені іони розташовані в строго визначеному порядку, що періодично повторюється у трьох вимірах простору. Оскільки сплави отримують зазвичай за металургійною технологією, то твердому стану передує рідке. Перехід речовини з рідкого стану в тверде називається

кристалізацією.

2. Кристалізація металів та сплавів

Кристалізація протікає в умовах, коли система переходить до термодинамічно стійкішого стану з меншою вільною енергією. Під вільною енергією F розуміють ту частину внутрішньої енергії системи, яка може бути перетворена на роботу. З підвищенням температури вільна енергія рідкого та твердого станів металу зменшується (див. рис. 1.1).

Вільна енергія F

стан

					стан
Т кр
					Т пл
Температура,

Рисунок 1.1 – Зміна вільної енергії рідкого та твердого станів залежно від температури

При досягненні рівноважної температури Т S вільна енергія рідкого та твердого станів дорівнює, а тому при цій температурі процес кристалізації, ні процес плавлення до кінця протікати не можуть.

Для розвитку процесу кристалізації необхідно створити такі умови, за яких вільна енергія твердої фази буде меншою, ніж вільна енергія рідкої фази. Як видно з графіка, наведеного на малюнку 1.1, це можливо лише за деякого переохолодження сплаву.

Ступенем переохолодженняназивається різниця між рівноважною (теоретичною) та фактичною температурами кристалізації

Т ТS Ткр.

Для розвитку процесу плавлення необхідний певний ступінь перегріву сплаву

Т Тпл ТS.

Ступінь переохолодження вимірюється в градусах Цельсія і залежить від швидкості охолодження, природи та чистоти розплаву. Чим більша швидкість охолодження, тим більший ступінь переохолодження. Чим чистіший розплав, тим більша його стійкість і, отже, більший ступінь переохолодження.

Наявність нерозчинених частинок у розплаві прискорює процес кристалізації, подрібнює зерно. Дослідженнями Д.К. Чернова було виявлено, що кристалізація починається з утворення кристалічних зародків (центрів кристалізації) і продовжується в умовах зростання їх кількості та розмірів.

Число центрів кристалізації (Ч.Ц.) та швидкість їх зростання (С.Р.) залежать від ступеня переохолодження. Зі збільшенням ступеня переохолодження зростає кількість центрів кристалізації та збільшується швидкість їх зростання; при певному ступені переохолодження настає максимум.

Однак метали і сплави, що володіють рідким станом малою схильністю до переохолодження, неможливо охолодити до таких температур, при яких число центрів кристалізації і швидкість зростання кристалів досягли б максимуму. Тому для металів криві "Ч.Ц." та «С.Р.» обриваються вже за малих ступенях переохолодження (суцільні криві малюнку 1.2).

С.Р.

Т SТ

Ступінь переохолодження Т, С

Рисунок 1.2 – Вплив ступеня переохолодження на число центрів кристалізації та швидкість зростання кристалів

Для ступеня переохолодження Т швидкості утворення центрів кристалізації та їх зростання малі, тому процес кристалізації протікає повільно, і зерна виходять великі (оскільки утворюється мало центрів кристалізації в одиниці обсягу рідкої фази).

Для ступеня переохолодження Т значно збільшилися як швидкість зародження центрів кристалізації, так і швидкість їх зростання, тому процес кристалізації протікатиме значно швидше, ніж при ступеня переохолодження Т, а так як при цьому збільшується число центрів кристалізації в одиниці об'єму, зерна виходять дрібні.

Таким чином, змінюючи ступінь переохолодження, можна отримати кристаліти (зерна) різної величини. Від величини зерна залежить багато властивостей металу. Насправді подрібнення зерна сплавах досягається також шляхом модифікування, тобто. введенням у розплав дисперсних частинок речовин-модифікаторів, що стають додатковими центрами кристалізації.

Процес кристалізації металів і сплавів аналогічний до процесу кристалізації солей з водних розчинів. При цьому утворення кристалів стає можливим спостерігати за допомогою біологічного мікроскопа за кімнатних температур у міру випаровування води, що зручно та безпечно.

3. Будова металевого зливка

Кристали у процесі затвердіння металу можуть мати різну форму залежно від швидкості охолодження, характеру та кількості домішок. Найчастіше в процесі кристалізації утворюються розгалужені або деревоподібні кристали, що дістали назву дендритів. Спочатку утворюються довгі гілки, звані осі першого порядку (головні осі дендриту). Одночасно з подовженням осей першого порядку на їх ребрах зароджуються і ростуть перпендикулярні до них такі самі гілки другого порядку. На осях другого порядку зароджуються осі третього порядку і т.д.

		- Зона дрібних зерен;
		- Зона стовпчастих кристалів;
		- Зона рівноосних кристалів;
		- Усадкова раковина;
		- газові бульбашки, порожнечі,
		садибна пухкість

Рисунок 1.3 – Схема будови сталевого зливка спокійної сталі

Кристалізація рідкого металу починається біля поверхні холоднішої форми і відбувається спочатку в сусідньому до поверхні тонкому шарі сильно переохолодженої рідини. Це призводить до утворення на поверхні зливка дуже вузької зони дрібних неорієнтованих зерен.

За зоною 1 углиб зливка розташована друга зона – зона стовпчастих кристалів. Зростання цих кристалів йде у напрямку відведення тепла, і оскільки всі кристали ростуть одночасно, то виходять стовпчасті (витягнуті) кристали, зростання яких триває доти, доки є направлений відвід тепла. У разі сильного перегріву та швидкого охолодження зона стовпчастих кристалітів може заповнити весь об'єм зливка.

Цей вид кристалізації називається транскристалізацією.У внутрішній частині зливка утворюється зона 3, що складається з рівноосних по-різному орієнтованих дендритних кристалів, більших внаслідок малої швидкості охолодження (внаслідок зменшення Т). Так як рідкий метал має більший питомий обсяг, ніж твердий, то в тій частині зливка, яка застигає в останню чергу, утворюється порожнеча - садибна раковина. Вона зазвичай оточена найбільш забрудненим металом, що містить мікро- та макропори, газові бульбашки та інші дефекти. Кристалізація зон зливка, а також осей дендритів відбувається не одночасно, тому метал зливка має неоднорідність за хімічним складом – зональну та дендритну ліквацію.

4. Обладнання та зразки

Для нагляду за процесом кристалізації солі використовуються біологічні мікроскопи. Штатив мікроскопа є стійке підставу, якого кріпляться інші частини мікроскопа: тубус, тримач конденсора, револьверна насадка з об'єктивами, окуляр. Як правило, мікроскоп забезпечений декількома об'єктивами різного збільшення, що розміщені на револьверній насадці, яка дозволяє шляхом переміщення встановлювати об'єктиви в робоче положення. Дослідження зразка зазвичай починають з найменшого об'єктиву збільшення з найбільшим полем зору. Деталі, що цікавлять, розглядають, користуючись об'єктивами з великим збільшенням.

Принципова схема біологічного мікроскопа представлена ​​малюнку 1.4.

- Дзеркало;

– предметний стіл;

– предметне скло;

- Крапля розчину солі;

- Об'єктив;

- Тубус мікроскопа;

- Окуляр;

- Око спостерігача.

Рисунок 1.4 – Принципова схема біологічного мікроскопа

Регулювання мікроскопа здійснюють наступним чином. Повертаючи скло 2 до джерела світла, домагаються найбільш яскравого освітлення в окулярі 8. Потім встановлюють предметне скло 4 з краплею розчину 5 солі на стіл 3 так, щоб можна було спостерігати край краплі. Установку фокусної відстані проводять, опускаючи/піднімаючи предметний столик 3 щодо тубуса 7, досягаючи чіткого зображення краю краплі в окулярі 8.

5. Порядок виконання роботи

Вивчивши теоретичну частину та ознайомившись із завданням на роботу, студенти приступають до спостереження процесу кристалізації. Для цього видається біологічний мікроскоп та предметне скло з краплею пересиченого водного розчину кухонної солі. Виконавши регулювання мікроскопа, встановлюють скло на предметний стіл і спостерігають початок процесу кристалізації біля краю краплі. У міру випаровування води зростатимуть кристали та в наступних зонах краплі. Умовно досліджуваний процес можна поділити на три періоди. Перший – кристалізація солі біля краю краплі, де кількість води найменша. Протягом цього періоду у краю краплі утворюються дрібні кристали правильної форми, оскільки переохолодження викликає утворення великої кількості центрів кристалізації. Протягом другого періоду утворюються великі стовпчасті кристали. Напрямок їх осей нормальний до країв краплі. У цей період мають місце велика швидкість зростання кристалів та обмежена кількість центрів кристалізації. Протягом третього періоду утворюються деревоподібні (дендрітні) кристали. При цьому кількість води в краплі незначна і випаровування її із середньої частини йде швидко.

Федеральна державна бюджетна освітня установа вищої освіти

«Волзький державний університет водного транспорту»

ПЕРМСЬКА ФІЛІЯ

Є.А . Сазонова

МАТЕРІАЛОВЕДЕННЯ

ЗБІРКА ПРАКТИЧНИХ І ЛАБОРАТОРІВНИХ РОБОТ

26.02.06 «Експлуатація суднового електрообладнання та засобів автоматики»

23.02.01 «Організація перевезень та управління на транспорті» (за видами)

ПЕРМ

2016

Вступ

Методичні рекомендації щодо виконання лабораторних та практичних робіт з навчальної дисципліни «Матеріалознавства» призначені для студентів середньої професійної освіти за фахом26.02.06 «Експлуатація суднового електрообладнання та засобів автоматики»

У даному методичному посібнику наведено вказівки щодо виконання практичних та лабораторних робіт за темами дисципліни, зазначені теми та зміст лабораторних та практичних робіт, форми контролю з кожної теми та рекомендована література.

В результаті освоєння даної навчальної дисципліни студент має вміти:

˗ виконувати механічні випробування зразків матеріалів;

˗ використовувати фізико-хімічні методи дослідження металів;

˗ користуватися довідковими таблицями для визначення властивостей матеріалів;

˗ вибирати матеріали для здійснення професійної діяльності.

В результаті освоєння даної навчальної дисципліни студент має знати:

˗ основні властивості та класифікацію матеріалів, що використовуються у професійній діяльності;

˗ найменування, маркування, властивості матеріалу, що обробляється;

˗ правила застосування змащувальних та охолоджуючих матеріалів;

˗ основні відомості про метали та сплави;

˗ основні відомості про неметалеві, прокладочні,

Ущільнювальні та електротехнічні матеріали, сталі, їх класифікацію.

Лабораторні та практичні роботи дозволять сформувати практичні навички, професійні компетенції. Вони входять до структури вивчення навчальної дисципліни «Матеріалознавства», після вивчення теми: 1.1. «Основні відомості про метали та сплави», 1.2 «Залізовуглецеві сплави», 1.3 «Кольорові метали та сплави».

Лабораторні та практичні роботи є елементом навчальної дисципліни та оцінюються за критеріями, представленими нижче:

Оцінка «5» виставляється студенту, якщо:

˗ тематика роботи відповідає заданій, студент показує системні та повні знання та вміння з цього питання;

˗ робота оформлена відповідно до рекомендацій викладача;

˗ обсяг роботи відповідає заданому;

˗ робота виконана точно у терміни, вказані викладачем.

Оцінка «4» виставляється студенту, якщо:

˗ тематика роботи відповідає заданій, студент припускається невеликих неточностей або деяких помилок у даному питанні;

˗ робота оформлена з неточностями в оформленні;

˗ обсяг роботи відповідає заданому або трохи менше;

˗ робота здана у строки, зазначені викладачем, або пізніше, але не більше ніж на 1-2 дні.

Оцінка «3» виставляється студенту, якщо:

˗ тематика роботи відповідає заданій, але у роботі відсутні значні елементи за змістом роботи або тематика викладена нелогічно, не чітко представлено основний зміст питання;

˗ робота оформлена з помилками в оформленні;

˗ обсяг роботи значно менший за заданий;

˗ роботу здано із запізненням у строках на 5-6 днів.

Оцінка «2» виставляється студенту, якщо:

˗ не розкрито основну тему роботи;

˗ робота оформлена не відповідно до вимог викладача;

˗ обсяг роботи не відповідає заданому;

˗ роботу здано із запізненням у термінах більше 7 днів.

Лабораторні та практичні роботи за своїм змістом мають певну структуру, пропонуємо розглянути її: хід роботи наведено на початку кожної практичної та лабораторної роботи; під час виконання практичних робіт студентами виконується завдання, зазначене наприкінці роботи (пункт «Завдання для студентів»); при виконанні лабораторних робіт складається звіт щодо її виконання, зміст звіту вказано наприкінці лабораторної роботи (пункт «Зміст звіту»).

Під час виконання лабораторних та практичних робіт студентами виконуються певні правила, розгляньте їх нижче: лабораторні та практичні роботи виконуються під час навчальних занять; допускається остаточне оформлення лабораторних та практичних робіт у домашніх умовах; дозволяється використання додаткової літератури під час виконання лабораторних та практичних робіт; перед виконанням лабораторної та практичної роботи необхідно вивчити основні теоретичні положення з питання, що розглядається.

Практична робота №1

«Фізичні властивості металів та методи їх вивчення»

Мета роботи : вивчити фізичні властивості металів, методи визначення.

Хід роботи:

Теоретична частина

До фізичних властивостей відносяться: густина, плавлення (температура плавлення), теплопровідність, теплове розширення.

Щільність – кількість речовини, що міститься в одиниці об'єму. Це одна з найважливіших характеристик металів та сплавів. За щільністю метали поділяються на такі групи:легені (Щільність не більше 5 г/см 3 ) - магній, алюміній, титан та ін;важкі - (Щільність від 5 до 10 г/см 3 ) - залізо, нікель, мідь, цинк, олово та ін. (Це найбільша група);дуже важкі (Щільність більше 10 г/см 3 ) - молібден, вольфрам, золото, свинець та ін. У таблиці 1 наведено значення щільності металів.

Таблиця 1

Щільність металів

Температура плавлення - це температура, за якої метал переходить із кристалічного (твердого) стану в рідке з поглинанням теплоти.

Температура плавлення металів лежить у діапазоні від −39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). Температура плавлення більшості металів (за винятком лужних) висока, проте деякі «нормальні» метали, наприклад, олово і свинець, можна розплавити на звичайній електричній або газовій плиті.

Залежно від температури плавлення метал поділяють такі групи:легкоплавкі (температура плавлення не перевищує 600 o С) - цинк, олово, свинець, вісмут та ін;середньоплавкі (від 600 o З до 1600 o С) - до них відносяться майже половина металів, зокрема магній, алюміній, залізо, нікель, мідь, золото;тугоплавкі (більше 1600 o З) - вольфрам, молібден, титан, хром та інших. При введенні в метал добавок температура плавлення, зазвичай, знижується.

Таблиця 2

Температура плавлення та кипіння металів

Теплопровідність – здатність металу з тією чи іншою швидкістю проводити теплоту при нагріванні.

Електропровідність – здатність металу проводити електричний струм.

Теплове розширення – здатність металу збільшувати свій об'єм при нагріванні.

Гладка поверхня металів відображає великий відсоток світла – це явище називається металевим блиском. Однак у порошкоподібному стані більшість металів втрачають свій блиск; алюміній та магній, тим не менш, зберігають свій блиск і в порошку. Найбільш добре відображають світло алюміній, срібло та паладій – з цих металів виготовляють дзеркала. Для виготовлення дзеркал іноді застосовується і родій, незважаючи на його високу ціну: завдяки значно більшій, ніж у срібла або навіть паладію, твердості та хімічній стійкості, родієвий шар може бути значно тоншим, ніж срібний.

Методи досліджень у матеріалознавстві

Основними методами дослідження у металознавстві та матеріалознавстві є: злам, макроструктура, мікроструктура, електронна мікроскопія, рентгенівські методи дослідження. Розглянь їх особливості докладніше.

1. Злам - найпростіший і найдоступніший спосіб оцінки внутрішньої будови металів. Метод оцінки зламів, незважаючи на свою грубість оцінки якості матеріалу, застосовується досить широко в різних галузях виробництва та наукових досліджень. Оцінка зламу часто може характеризувати якість матеріалу.

Злам може бути кристалічним чи аморфним. Аморфний злам характерний для матеріалів, які не мають кристалічної будови, таких як скло, каніфоль, склоподібні шлаки.

Металеві сплави, у тому числі сталь, чавун, алюмінієві, магнієві сплави, цинк та його сплави дають зернистий, кристалічний злам.

Кожна грань кристалічного зламу є площиною сколювання окремого зерна. Тож злам показує нам розміри зерна металу. Вивчаючи злам сталі, можна бачити, що розмір зерна може коливатися в дуже широких межах: від кількох сантиметрів у литій, повільно остиглій, сталі до тисячних часток міліметра у правильно відкованій та загартованій сталі. Залежно від розміру зерна, злам може бути крупнокристалічний і дрібнокристалічний. Зазвичай дрібнокристалічний злам відповідає вищій якості металевого сплаву.

Якщо руйнування досліджуваного зразка проходить з попередньою пластичною деформацією, зерна в площині зламу деформуються, і злам уже не відображає внутрішньої кристалічної будови металу; у цьому випадку злам називається волокнистим. Часто в одному зразку в залежності від рівня його пластичності, у зламі можуть бути волокнисті та кристалічні ділянки. Часто за співвідношенням площі зламу, зайнятого та кристалічними ділянками за цих умов випробування оцінюють якість металу.

Крихкий кристалічний злам може виходити при руйнуванні по межах зерен або по площинах ковзання, що перетинає зерна. У першому випадку злам називається міжкристалітним, у другому транскристалітним. Іноді, особливо при дуже дрібному зерні, важко визначити природу зламу. У цьому випадку злам вивчають за допомогою лупи чи бінокулярного мікроскопа.

Останнім часом розвивається галузь металознавства з фрактографічного вивчення зламів на металографічних та електронних мікроскопах. При цьому знаходять нові переваги старого методу досліджень у металознавстві – досліджень зламу, застосовуючи до таких досліджень поняття фрактальних розмірностей.

2. Макроструктура – ​​є наступним методом дослідження металів. Макроструктурне дослідження полягає у вивченні площини перерізу виробу або зразка в поздовжньому, поперечному чи будь-яких інших напрямках після травлення, без застосування збільшувальних приладів або за допомогою лупи. Перевагою макроструктурного дослідження є те, що за допомогою цього методу можна вивчити структуру безпосередньо цілого виливка або зливка, поковки, штампування і т.д. За допомогою цього методу дослідження можна виявити внутрішні вади металу: бульбашки, порожнечі, тріщини, шлакові включення, досліджувати кристалічну будову виливка, вивчати неоднорідність кристалізації зливка та його хімічну неоднорідність (ліквацію).

За допомогою сірчаних відбитків макрошліфів на фотопапері за Бауманом визначається нерівномірність розподілу сірки за перерізом злитків. Велике значення цей метод дослідження має при дослідженні кованих або штампованих заготовок визначення правильності напрямку волокон в металі.

3. Мікроструктура – ​​один з основних методів у металознавстві – це дослідження мікроструктури металу на металографічних та електронних мікроскопах.

Цей метод дозволяє вивчати мікроструктуру металевих об'єктів з великими збільшеннями: від 50 до 2000 разів на оптичному металографічному мікроскопі та від 2 до 200 тис. разів на електронному мікроскопі. Дослідження мікроструктури провадиться на полірованих шліфах. На нетравлених шліфах вивчається наявність неметалевих включень, таких як оксиди, сульфіди, дрібні шлакові включення та інші включення, що різко відрізняються від природи основного металу.

Мікроструктура металів та сплавів вивчається на травлених шліфах. Травлення зазвичай виробляється слабкими кислотами, лугами чи іншими розчинами, залежно від природи металу шліфу. Дія травлення полягає в тому, що він по-різному розчиняє різні структурні складові, забарвлюючи їх у різні тони чи кольори. Межі зерен, що відрізняються від основного розчину, мають травимість, що зазвичай відрізняється від основи і виділяється на шліфі у вигляді темних або світлих ліній.

Побачені під мікроскопом поліедри зерен є перерізом зерен поверхнею шліфу. Так як цей переріз є випадковим і може проходити на різних відстанях від центру кожного окремого зерна, то відмінність у розмірах поліедрів відповідає дійсним відмінностям у розмірах зерен. Найбільш близькою величиною до дійсного розміру зерна є найбільші зерна.

При травленні зразка, що складається з однорідних кристалічних зерен, наприклад чистого металу, твердого однорідного розчину та ін. спостерігається часто по-різному протруєні поверхні різних зерен.

Це пояснюється тим, що на поверхні шліфу виходять зерна, що мають різні кристалографічні орієнтування, внаслідок чого ступінь впливу кислоти на ці зерна виявляються різними. Одні зерна виглядають блискучими, інші сильно протравлюються, темніють. Це потемніння пов'язане з утворенням різних постатей травлення, що по-різному відображають світлові промені. У разі сплавів окремі структурні складові утворюють мікрорельєф на поверхні шліфу, що має ділянки з різним нахилом окремих поверхонь.

Нормально розташовані ділянки відбивають найбільше світла і виявляються найсвітлішими. Інші ділянки – темніші. Часто контраст у зображенні зернистої структури пов'язаний не зі структурою поверхні зерен, і з рельєфом біля меж зерен. Крім того, різні відтінки структурних складових можуть бути результатом утворення плівок, утворених при взаємодії травника зі структурними складовими.

За допомогою металографічного дослідження можна здійснювати якісне виявлення структурних складових сплавів та кількісне вивчення мікроструктур металів та сплавів, по-перше, шляхом порівняння з відомими вивченими мікроскладовими структур та, по-друге, спеціальними методами кількісної металографії.

Розмір зерна визначається. Методом візуальної оцінки, що полягає в тому, що мікроструктура, що розглядається, приблизно оцінюється балами стандартних шкал за ГОСТ 5639-68, ГОСТ 5640-68. За відповідними таблицями, для кожного бала визначається площа одного зерна та кількість зерен на 1 мм 2 та в 1 мм 3 .

Методом підрахунку кількості зерен на одиниці поверхні шліфу за відповідними формулами. Якщо S – площа, на якій підраховується кількість зерен n, а М – збільшення мікроскопа, то середня величина зерна у перерізі поверхні шліфу

Визначення фазового складу. Фазовий склад сплаву частіше оцінюють на око або порівняння структури зі стандартними шкалами.

Наближений метод кількісного визначення фазового складу може бути проведений методом січ з підрахунком протяжності відрізків, зайнятих різними структурними складовими. Співвідношення цих відрізків відповідає об'ємному змісту окремих складових.

Точковий метод А.А. Глаголєва. Цей метод здійснюється шляхом оцінки кількості точок (крапок перетину окулярної сітки мікроскопа), що потрапляють на поверхні кожної структурної складової. Крім того, методом кількісної металографії виробляють: визначення величини поверхні поділу фаз та зерен; визначення кількості частинок обсягом; визначення орієнтації зерен у полікристалічних зразках.

4. Електронна мікроскопія. Велике значення у металографічних дослідженнях знаходить останнім часом електронний мікроскоп. Безперечно, йому належить велике майбутнє. Якщо роздільна здатність оптичного мікроскопа досягає значень 0,00015 мм = 1500 А, то роздільна здатність електронних мікроскопів досягає 5-10 А, тобто. у кілька сотень разів більше, ніж у оптичного.

На електронному мікроскопі здійснюють дослідження тонких плівок (реплік), знятих з поверхні шліфу або безпосереднє вивчення тонких плівок, отриманих потонанням масивного зразка.

Найбільше потребують застосування електронної мікроскопії дослідження процесів, пов'язані з виділенням надлишкових фаз, наприклад, розпад пересичених твердих розчинів при термічному або деформаційному старінні.

5. Рентгенівські методи дослідження. Одним з найважливіших методів у встановленні кристалографічної будови різних металів та сплавів є рентгеноструктурний аналіз. Цей метод дослідження дає можливість визначення характеру взаємного розташування атомів кристалічних тілах, тобто. вирішити завдання, не доступне ні звичайному, ні електронному мікроскопу.

В основі рентгеноструктурного аналізу лежить взаємодія між рентгенівськими променями і атомами досліджуваного тіла, що лежать на їхньому шляху, завдяки якому останні стають як би новими джерелами рентгенівських променів, будучи центрами їх розсіювання.

Розсіяння променів атомами можна уподібнити до відображення цих променів від атомних площин кристала за законами геометричної оптики.

Рентгенівські промені відбиваються як від площин, лежачих лежить на поверхні, а й від глибинних. Відбиваючись від кількох однаково орієнтованих площин, відбитий промінь посилюється. Кожна площина кристалічних ґрат дає свій пучок відбитих хвиль. Отримавши певне чергування відбитих пучків рентгенівських променів під певними кутами, розраховують міжплощинну відстань, кристалографічні індекси площин, що відбивають, в кінцевому рахунку, форму і розміри кристалічної решітки.

Практична частина

Зміст звіту.

1. У звіті необхідно вказати назву, мету роботи.

2. Перерахуйте основні фізичні властивості металів (з визначенням).

3. Зафіксуйте у зошиті таблиці 1-2. Зробіть висновки за таблицями.

4. Заповніть таблицю: «Основні методи дослідження у матеріалознавстві».

Ренгенівські

методи дослідження

Практична робота №2

Тема: «Вивчення діаграм стану»

Мета роботи: ознайомлення студентів із основними видами діаграм стану, їх основними лініями, точками, їх значенням.

Хід роботи:

1. Вивчіть теоретичну частину.

Теоретична частина

Діаграма стану являє собою графічне зображення стану будь-якого сплаву системи, що вивчається в залежності від концентрації і температури (див. мал. 1)

Рис.1 Діаграма стану

Діаграми стану демонструють стійкі стани, тобто. стани, які за цих умов мають мінімум вільної енергії, і тому її також називають діаграмою рівноваги, так як вона показує, які за цих умов існують рівноважні фази.

Побудова діаграм стану найчастіше здійснюється з допомогою термічного аналізу. В результаті одержують серію кривих охолодження, на яких при температурах фазових перетворень спостерігаються точки перегину та температурні зупинки.

Температури, що відповідають фазовим перетворенням, називають критичними точками. Деякі критичні точки мають назви, наприклад, точки, що відповідають початку кристалізації, називають точками ліквідус, а кінцю кристалізації - точками солідус.

По кривим охолодження будують діаграму складу в координатах: по осі абсцис – концентрація компонентів, по осі ординат – температура. Шкала концентрацій показує вміст компонента В. Основними лініями є лінії ліквідус (1) і солідус (2), а також лінії, що відповідають фазовим перетворенням у твердому стані (3, 4).

По діаграмі стану можна визначити температури фазових перетворень, зміна фазового складу, приблизно, властивості сплаву, види обробки, які можна застосовувати для сплаву.

Нижче представлені різні типи діаграм стану:

Рис.2. Діаграма стану сплавів із необмеженою розчинністю

компонентів у твердому стані (а); криві охолодження типових

сплавів (б)

Аналіз одержаної діаграми (рис.2).

1. Кількість компонентів: К = 2 (компоненти А та В).

2. Число фаз: f = 2 (рідка фаза L, кристали твердого розчину)

3. Основні лінії діаграми:

acb - лінія ліквідус, вище за цю лінію сплави знаходяться в рідкому стані;

adb - лінія солідус, нижче за цю лінію сплави знаходяться в твердому стані.

Рис.3. Діаграма стану сплавів з відсутністю розчинності компонентів у твердому стані (а) та криві охолодження сплавів (б)

Аналіз діаграми стану (рис. 3).

1. Кількість компонентів: К = 2(компоненти А та В);

2. Кількість фаз: f = 3(кристали компонента А, кристали компонента, рідка фаза).

3. Основні лінії діаграми:

лінія солідус ecf, паралельна до осі концентрацій прагне до осей компонентів, але не досягає їх;

Рис. 4. Діаграма стану сплавів з обмеженою розчинністю компонентів у твердому стані (а) та криві охолодження типових сплавів (б)

Аналіз діаграми стану (рис. 4).

1. Кількість компонентів: К = 2 (компоненти А та В);

2. Число фаз: f = 3 (рідка фаза і кристали твердих розчинів (розчин компонента в компоненті А) і (розчин компонента А в компоненті В));

3. Основні лінії діаграми:

лінія ліквідус acb, складається з двох гілок, що сходяться в одній точці;

лінія солідус аdcfb складається з трьох ділянок;

dm – лінія граничної концентрації компонента У компоненті А;

fn - лінія граничної концентрації компонента А в компоненті.

Практична частина

Завдання для студентів:

1. Запишіть назву роботи та її мету.

2. Запишіть, що таке діаграма стану.

Дайте відповідь на питання:

1. Як будується діаграма стану?

2. Що можна визначити за діаграмою стану?

3. Які назви мають основні точки діаграми?

4. Що вказується на діаграмі по осі абсцис? Осі ординат?

5. Як називаються основні лінії діаграми?

Завдання за варіантами:

Студенти відповідають на ті самі питання, різними є малюнки, за якими необхідно відповідати. 1 варіант дає відповіді на малюнку 2, 2 варіант дає відповіді на малюнку 3, варіант 3 дає відповіді на малюнку 4. Малюнок необхідно зафіксувати в зошит.

1. Як називається діаграма?

2. Назвіть скільки компонентів беруть участь у освіті металу?

3. Якими літерами є основні лінії діаграми?

Практична робота №3

Тема: «Вивчення чавунів»

Мета роботи: ознайомлення студентів з маркуванням та областю застосування чавунів; формування вміння розшифровки марок чавунів

Хід роботи:

Теоретична частина

Чавун відрізняється від сталі: за складом - більш високий вміст вуглецю та домішок; за технологічними властивостями – більш високі ливарні властивості, мала здатність до пластичної деформації, майже не використовується у зварних конструкціях.

Залежно стану вуглецю в чавуні розрізняють: білий чавун – вуглець у зв'язаному стані як цементиту, в зламі має білий колір і металевий блиск; сірий чавун – весь вуглець чи більшість перебуває у вільному стані як графіту, а зв'язаному стані перебуває трохи більше 0,8 % вуглецю. Через велику кількість графіту його злам має сірий колір; половинчастий - частина вуглецю знаходиться у вільному стані у формі графіту, але не менше 2% вуглецю знаходиться у формі цементиту. Мало використовується у техніці.

Залежно від форми графіту та умов його утворення розрізняють такі групи чавунів: сірий - із пластинчастим графітом; високоміцний – з кулястим графітом; ковкий - з пластівцевим графітом.

Графітові включення можна як відповідної форми порожнечі у структурі чавуну. У таких дефектів при навантаженні концентруються напруги, значення яких тим більше, чим гостріший дефект. Звідси випливає, що графітові включення пластинчастої форми максимально розміцнюють метал. Більш сприятлива пластівеподібна форма, а оптимальною є куляста форма графіту. Пластичність залежить від форми так само. Наявність графіту найбільше різко знижує опір при жорстких способах навантаження: удар; розрив. Опір стиску знижується мало.

Сірі чавуни

Сірий чавун широко застосовується в машинобудуванні, так як легко обробляється і має гарні властивості. Залежно від міцності сірий чавун поділяють на 10 марок (ГОСТ 1412).

Сірі чавуни при малому опорі розтягу мають досить високий опір стиску. Структура металевої основи залежить від кількості вуглецю та кремнію.

Враховуючи мале опір виливків із сірого чавуну розтягуючим та ударним навантаженням, слід використовувати цей матеріал для деталей, які піддаються стискаючі або згинальні навантаження. У верстатобудуванні це – базові, корпусні деталі, кронштейни, зубчасті колеса, що направляють; в автобудуванні – блоки циліндрів, поршневі кільця, розподільні вали, диски зчеплення. Виливки із сірого чавуну також використовуються в електромашинобудуванні, для виготовлення товарів народного споживання.

Маркування сірих чавунів: позначаються індексом СЧ (сірий чавун) та числом, яке показує значення межі міцності, помножене на 10 -1 .

Наприклад: СЧ 10 – сірий чавун, межа міцності при розтягуванні 100 МПа.

Ковкий чавун

Хороші властивості у виливків забезпечуються, якщо в процесі кристалізації та охолодження виливків у формі не відбувається процес графітизації. Щоб запобігти графітизації, чавуни повинні мати знижений вміст вуглецю та кремнію.

Розрізняють 7 марок ковкого чавуну: три з феритною (КЧ 30 - 6) та чотири з перлітною (КЧ 65 - 3) основою (ГОСТ 1215).

За механічними та технологічними властивостями ковкий чавун займає проміжне положення між сірим чавуном та сталлю. Недоліком ковкого чавуну в порівнянні з високоміцним є обмеження товщини стінок для виливки та необхідність відпалу.

Виливки з ковкого чавуну застосовують для деталей, що працюють при ударних та вібраційних навантаженнях.

З феритних чавунів виготовляють картери редукторів, маточини, гаки, скоби, хомутики, муфти, фланці.

З перлітних чавунів, що характеризуються високою міцністю, достатньою пластичністю, виготовляють вилки карданних валів, ланки та ролики ланцюгів конвеєра, гальмівні колодки.

Маркування ковкого чавуну: позначаються індексом КЧ (ковкий чавун) та числами. Перше число відповідає межі міцності на розтяг, помножене на 10 -1 , Друге число - відносне подовження.

Наприклад: КЧ 30-6 - ковкий чавун, межа міцності при розтягуванні 300Мпа, відносне подовження 6%.

Високоміцний чавун

Отримують ці чавуни із сірих, в результаті модифікування магнієм або церієм. Порівняно із сірими чавунами, механічні властивості підвищуються, це викликано відсутністю нерівномірності у розподілі напруг через кулясту форму графіту.

Ці чавуни мають високу рідину, лінійна усадка - близько 1%. Ливарні напруги у виливках трохи вищі, ніж для сірого чавуну. Через високий модуль пружності досить висока оброблюваність різанням. Мають задовільну зварюваність.

З високоміцного чавуну виготовляють тонкостінні виливки (поршневі кільця), шаботи кувальних молотів, станини та рами пресів та прокатних станів, виливниці, різцетримачі, планшайби.

Виливки колінчастих валів масою до 2..3 т, замість кованих валів зі сталі, мають більш високу циклічну в'язкість, малочутливі до зовнішніх концентраторів напруги, мають кращі антифрикційні властивості і значно дешевші.

Маркування високоміцного чавуну: позначаються індексом ВЧ (високоміцний чавун) та числом, яке показує значення межі міцності, помножене на 10 -1 .

Наприклад: ВЧ 50 - міцний чавун з межею міцності на розтяг 500 Мпа.

Практична частина

Завдання для студентів:

1.Запишіть назву роботи, її мету.

2. Опишіть виробництво чавуну.

3. Заповніть таблицю:

3. Високоміцні

чавуни

Практична робота №4

Тема: «Вивчення вуглецевих та легованих конструкційних сталей»

Мета роботи:

Хід роботи:

1.Ознайомтеся з теоретичною частиною.

2.Виконайте завдання практичної частини.

Теоретична частина

Сталь – це метал заліза з вуглецем, у якому вуглецю міститься у кількості 0 -2,14%. Сталі є найпоширенішими матеріалами. Мають гарні технологічні властивості. Вироби отримують в результаті обробки тиском та різанням.

Якість в залежності від вмісту шкідливих домішок: сірки та фосфору сталі поділяють на сталі:

˗ Звичайної якості, вміст до 0.06% сірки та до 0,07% фосфору.

˗ Якісні - до 0,035% сірки та фосфору кожного окремо.

˗ Високоякісні - до 0.025% сірки та фосфору.

˗ Особливо високоякісні, до 0,025% фосфору та до 0,015% сірки.

Розкислення – це процес видалення кисню зі сталі, т. е. за рівнем її розкислення, існують: спокійні сталі, тобто повністю розкислені; такі сталі позначаються літерами "сп" наприкінці марки (іноді літери опускаються); киплячі сталі – слабко розкислені; маркуються літерами "кп"; напівспокійні сталі, що займають проміжне положення між двома попередніми; позначаються літерами "пс".

Сталь звичайної якості підрозділяється ще й з поставок на 3 групи: сталь групи А поставляється споживачам за механічними властивостями (така сталь може мати підвищений вміст сірки чи фосфору); сталь групи Б – за хімічним складом; сталь групи В – з гарантованими механічними властивостями та хімічним складом.

Конструкційні сталі призначені виготовлення конструкцій, деталей машин і приладів.

Так у Росії та країнах СНД (Україна, Казахстан, Білорусія та ін.) прийнято розроблену раннє в СРСР буквенно-цифрову систему позначення марок сталей і сплавів, де згідно з ГОСТом, буквами умовно позначаються назви елементів і способів виплавки сталі, а цифрами - зміст елементів. Досі міжнародні організації зі стандартизації не виробили єдину систему маркування сталей.

Маркування конструкційних вуглецевих сталей

звичайної якості

˗ Позначають за ГОСТ 380-94 літерами "Ст" та умовним номером марки (від 0 до 6) залежно від хімічного складу та механічних властивостей.

˗ Чим вище вміст вуглецю та міцнісні властивості сталі, тим більший її номер.

˗ Літера "Г" після номера марки вказує на підвищений вміст марганцю в сталі.

˗ Перед маркою вказують групу сталі, причому група "А" у позначенні марки сталі не ставиться.

˗ Для зазначення категорії сталі до позначення марки додають номер наприкінці відповідної категорії, першу категорію зазвичай не вказують.

Наприклад:

˗ Ст1кп2 - вуглецева сталь звичайної якості, кипляча, № марки 1, другої категорії, що поставляється споживачам за механічними властивостями (група А);

˗ ВСт5Г - вуглецева сталь звичайної якості з підвищеним вмістом марганцю, спокійна, № марки 5, першої категорії з гарантованими механічними властивостями та хімічним складом (група В);

˗ ВСт0 - вуглецева сталь звичайної якості, номер марки 0, групи Б, першої категорії (сталі марок Ст0 та Бст0 за ступенем розкислення не поділяють).

Маркування конструкційних вуглецевих якісних сталей

˗ Відповідно до ГОСТ 1050-88 ці сталі маркуються двозначними числами, що показують середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка: 05; 08; 10; 25; 40, 45 тощо.

˗ Для спокійних сталей літери в кінці їх найменувань не додаються.

Наприклад, 08кп, 10пс, 15, 18кп, 20 і т.д.

˗ Літера Г у марці сталі вказує на підвищений вміст марганцю.

Наприклад: 14Г, 18Г тощо.

˗ Найпоширеніша група для виготовлення деталей машин (вали, осі, втулки, зубчасті колеса тощо)

Наприклад:

˗ 10 – конструкційна вуглецева якісна сталь, з вмістом вуглецю близько 0,1 %, спокійна

˗ 45 – конструкційна вуглецева якісна сталь, з вмістом вуглецю близько 0,45%, спокійна

˗ 18 кп – конструкційна вуглецева якісна сталь із вмістом вуглецю близько 0.18%, кипляча

˗ 14Г – конструкційна вуглецева якісна сталь із вмістом вуглецю близько 0,14%, спокійна, з підвищеним вмістом марганцю.

Маркування легованих конструкційних сталей

˗ Відповідно до ГОСТ 4543-71 найменування таких сталей складаються з цифр та літер.

˗ Перші цифри марки позначають середній вміст вуглецю сталі в сотих частках відсотка.

˗ Літери вказують на основні елементи, що легують, включені в сталь.

˗ Цифри після кожної літери позначають примірний відсотковий вміст відповідного елемента, округлений до цілого числа, при вмісті легуючого елемента до 1.5% цифра за відповідною літерою не вказується.

˗ Літера А в кінці марки вказує на те, що сталь високоякісна (зі зниженим вмістом сірки та фосфору)

˗ Н – нікель, Х – хром, К – кобальт, М – молібден, В – вольфрам, Т – титан, Д – мідь, Г – марганець, С – кремній.

Наприклад:

˗ 12Х2Н4А – конструкційна легована сталь, високоякісна, з вмістом вуглецю близько 0,12%, хрому близько 2%, нікелю близько 4%

˗ 40ХН – конструкційна легована сталь, з вмістом вуглецю близько 0,4%, хрому та нікелю до 1,5%

Маркування інших груп конструкційних сталей

Ресорно-пружинні сталі.

˗ Основна відмітна ознака цих сталей – вміст вуглецю в них має бути близько 0.8% (у цьому випадку у сталях з'являються пружні властивості)

˗ Пружини та ресори виготовляють з вуглецевих (65,70,75,80) та легованих (65С2, 50ХГС, 60С2ХФА, 55ХГР) конструкційних сталей

˗ Ці сталі легують елементами, які підвищують межу пружності – кремнієм, марганцем, хромом, вольфрамом, ванадієм, бором.

Наприклад: 60С2 - сталь конструкційна вуглецева ресорно-пружинна з вмістом вуглецю близько 0,65%, кремнію близько 2%.

Шарикопідшипникові сталі

˗ ГОСТ 801-78 маркують літерами "ШХ", після яких вказують вміст хрому в десятих відсотках.

˗ Для сталей, підданих електрошлаковому переплаву, літера Ш додається також і в кінці їх найменувань через тире.

Наприклад: ШХ15, ШХ20СГ, ШХ4-Ш.

˗ З них виготовляють деталі для підшипників, також використовують для виготовлення деталей, що працюють в умовах високих навантажень.

Наприклад: ШХ15 – сталь конструкційна шарикопідшипникова із вмістом вуглецю 1%, хрому 1,5%

Автоматні сталі

˗ ГОСТ 1414-75 починаються з літери А (автоматна).

˗ Якщо сталь при цьому легована свинцем, то її найменування починається з літер АС.

˗ Для відображення вмісту в інших елементах використовуються ті ж правила, що і для легованих конструкційних сталей. Наприклад: А20, А40Г, АС14, АС38ХГМ

Наприклад: АС40 – сталь конструкційна автоматна, із вмістом вуглецю 0,4%, свинцю 0,15-0,3% (у марці не вказується)

Практична частина

Завдання для студентів:

2. Запишіть основні ознаки маркування всіх груп конструкційних сталей (звичайної якості, якісних сталей, легованих конструкційних сталей, ресорно-пружинних сталей, шарикопідшипникових сталей, автоматних сталей), з прикладами.

Завдання за варіантами:

Розшифруйте марки сталей і запишіть область застосування конкретної марки (тобто виготовлення чого вона призначена)

Практична робота №5

Тема: «Вивчення вуглецевих та легованих інструментальних сталей»

Мета роботи: ознайомлення студентів з маркуванням та областю застосування конструкційних сталей; формування вміння розшифровки маркування конструкційних сталей

Хід роботи:

1.Ознайомтеся з теоретичною частиною.

2.Виконайте завдання практичної частини.

Теоретична частина

Сталь – це метал заліза з вуглецем, у якому вуглецю міститься у кількості 0-2,14%.

Сталі є найпоширенішими матеріалами. Мають гарні технологічні властивості. Вироби отримують в результаті обробки тиском та різанням.

Перевагою є можливість, отримувати необхідний комплекс якостей, змінюючи склад і вид обробки.

Залежно від призначення сталі діляться на 3 групи: конструкційні, інструментальні та сталі спеціального призначення.

Якість залежно від вмісту шкідливих домішок: сірки та фосфору стали поділяють на: сталі звичайної якості, вміст до 0.06% сірки та до 0,07% фосфору; якісні - до 0,035% сірки та фосфору кожного окремо; високоякісні - до 0.025% сірки та фосфору; особливо високоякісні, до 0,025% фосфору та до 0,015% сірки.

Інструментальні сталі призначені для виготовлення різного інструменту як для ручної обробки, так і для механічної.

Наявність широкого сортаменту сталей і сплавів, що виготовляються в різних країнах, зумовило необхідність їх ідентифікації, проте до цього часу не існує єдиної системи маркування сталей і сплавів, що створює певні труднощі для металоторгівлі.

Маркування вуглецевих інструментальних сталей

˗ Дані сталі відповідно до ГОСТ 1435-90 поділяються на якісні та високоякісні.

˗ Якісні сталі позначаються буквою У (вуглецева) та цифрою, що вказує на середній вміст вуглецю в сталі, у десятих відсотках.

Наприклад: У7, У8, У9, У10. У7 – вуглецева інструментальна сталь із вмістом вуглецю близько 0.7%

˗ До позначень високоякісних сталей додається літера А (У8А, У12А тощо). Крім того, в позначеннях як якісних, так і високоякісних вуглецевих інструментальних сталей може бути літера Г, що вказує на підвищений вміст сталі марганцю.

Наприклад: У8Г, У8ГА. У8А - вуглецева інструментальна сталь із вмістом вуглецю близько 0,8%, високоякісна.

˗ Виготовляють інструмент для ручної роботи (зубило, кернер, рисунка тощо), механічної роботи на невисоких швидкостях (свердла).

Маркування легованих інструментальних сталей

˗ Правила позначення інструментальних легованих сталей за ГОСТ 5950-73 переважно ті ж, що й для конструкційних легованих.

Відмінність полягає лише в цифрах, що вказують на масову частку вуглецю сталі.

˗ Відсотковий вміст вуглецю також вказується на початку найменування сталі, у десятих відсотках, а не в сотих, як для конструкційних легованих сталей.

˗ Якщо в інструментальній легованій сталі вміст вуглецю становить близько 1.0%, то відповідну цифру на початку її найменування зазвичай не вказують.

Наведемо приклади: сталь 4Х2В5МФ, ХВГ, ХВЧ.

˗ 9Х5ВФ – легована інструментальна сталь, з вмістом вуглецю близько 0,9%, хрому близько 5%, ванадію та вольфраму до 1%

Маркування високолегованих (швидкорізальних)

інструментальних сталей

˗ Позначають буквою "Р", наступна за нею цифра вказує на відсотковий вміст у ній вольфраму: На відміну від легованих сталей у найменуваннях швидкорізальних сталей не вказується відсотковий вміст хрому, т.к. воно становить близько 4% у всіх сталях, і вуглецю (воно пропорційне вмісту ванадію).

˗ Літера Ф, що показує наявність ванадію, вказується лише в тому випадку, якщо вміст ванадію становить понад 2.5%.

Наприклад: Р6М5, Р18, Р6 М5Ф3.

˗ Зазвичай із цих сталей виготовляють високопродуктивний інструмент: свердла, фрези тощо. (Для здешевлення тільки робочу частину)

Наприклад: Р6М5К2 – швидкорізальна сталь, з вмістом вуглецю близько 1%, вольфраму близько 6%, хрому близько 4%, ванадію до 2,5%, молібдену близько 5%, кобальту близько 2%.

Практична частина

Завдання для студентів:

1. Запишіть назву роботи, її мету.

2. Запишіть основні принципи маркування всіх груп інструментальних сталей (вуглецевих, легованих, високолегованих)

Завдання за варіантами:

1. Розшифруйте марки сталей і запишіть область застосування конкретної марки (тобто виготовлення чого вона призначена).

Практична робота №6

Тема: "Вивчення сплавів на основі міді: латуні, бронзи"

Мета роботи: ознайомлення студентів з маркуванням та областю застосування кольорових металів – міді та сплавів на її основі: латунів та бронз; формування вміння розшифровки маркування латунів та бронз.

Рекомендації для студентів:

Хід роботи:

1.Ознайомтеся з теоретичною частиною.

2.Виконайте завдання практичної частини.

Теоретична частина

Латуні

Латуні можуть мати до 45 % цинку. Підвищення вмісту цинку до 45% призводить до збільшення межі міцності до 450 МПа. Максимальна пластичність має місце при вмісті цинку близько 37%.

За способом виготовлення виробів розрізняють латуні деформовані та ливарні.

Деформовані латуні маркуються літерою Л, за якою слідує число, що показує вміст міді у відсотках, наприклад, у латуні Л62 міститься 62% міді та 38% цинку. Якщо крім міді та цинку є інші елементи, то ставляться їх початкові літери (О - олово, С - свинець, Ж - залізо, Ф - фосфор, Мц - марганець, А - алюміній, Ц - цинк).

Кількість цих елементів позначається відповідними цифрами після числа, що показує вміст міді, наприклад, сплав ЛАЖ60-1-1 містить 60% міді, 1% алюмінію, 1% заліза та 38% цинку.

Латуні мають гарну корозійну стійкість, яку можна підвищити додатково присадкою олова. Латунь ЛО70 -1 стійка проти корозії у морській воді і називається "морською латунню". Добавка нікелю та заліза підвищує механічну міцність до 550 МПа.

Ливарні латуні також маркуються літерою Л, після літерного позначення основного легуючого елемента (цинк) і кожного наступного ставиться цифра, що вказує на його усереднений вміст у сплаві. Наприклад, латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2 містить 23% цинку, 6% алюмінію, 3% заліза, 2% марганцю. Найкращою рідиною є латунь марки ЛЦ16К4. До ливарних латунь відносяться латуні типу ЛЗ, ЛК, ЛА, ЛАЖ, ЛАЖМц. Ливарні латуні не схильні до ліквації, мають зосереджену усадку, виливки виходять із високою щільністю.

Латуні є добрим матеріалом для конструкцій, що працюють при негативних температурах.

Бронзи

Сплави міді коїться з іншими елементами крім цинку називаються бронзами. Бронзи поділяються на деформовані та ливарні.

При маркуванні деформованих бронз першому місці ставляться букви Бр, потім букви, які вказують, які елементи, крім міді, входять до складу металу. Після літер йдуть цифри, що показують вміст компонентів у сплаві. Наприклад, марка БрОФ10-1 означає, що в бронзу входить 10% олова, 1% фосфору, решта - мідь.

Маркування ливарних бронз також починається з літер Бр, потім вказуються літерні позначення легуючих елементів і ставиться цифра, що вказує на його усереднений вміст сплаву. Наприклад, бронза БрО3Ц12С5 містить 3% олова, 12% цинку, 5% свинцю, решта – мідь.

Олов'яні бронзи При сплавленні міді з оловом утворюються тверді розчини. Ці сплави дуже схильні до ліквації через великий температурний інтервал кристалізації. Завдяки ліквації сплави з вмістом олова вище 5% є сприятливим для деталей типу підшипників ковзання: м'яка фаза забезпечує хорошу оброблюваність, тверді частинки створюють зносостійкість. Тому олов'яні бронзи є добрими антифрикційними матеріалами.

Олов'яні бронзи мають низьку об'ємну усадку (близько 0,8%), тому використовуються у художньому лиття. Наявність фосфору забезпечує хорошу рідину. Олов'яні бронзи поділяються на деформовані та ливарні.

У бронзах, що деформуються, вміст олова не повинен перевищувати 6%, для забезпечення необхідної пластичності, БрОФ6,5-0,15. Залежно від складу деформовані бронзи відрізняються високими механічними, антикорозійними, антифрикційними та пружними властивостями, та використовуються у різних галузях промисловості. З цих сплавів виготовляють прутки, труби, стрічку, дріт.

Практична частина

Завдання для студентів:

1.Запишіть назву та мету роботи.

2. Заповніть таблицю:

Назва

сплаву, його

визначення

Основні

властивості

сплаву

Приклад

маркування

Розшифровка

марки

Область

застосування

Практична робота № 7

Тема: "Вивчення алюмінієвих сплавів"

Мета роботи: ознайомлення студентів з маркуванням та областю застосування кольорових металів – алюмінію та сплавів на його основі; вивчення особливостей застосування алюмінієвих сплавів залежно від їхнього складу.

Рекомендації для студентів: перш ніж приступити до виконання практичної частини завдання, уважно ознайомтеся з теоретичними положеннями, а також лекціями у вашому робочому зошиті на цю тему.

Хід роботи:

1.Ознайомтеся з теоретичною частиною.

2.Виконайте завдання практичної частини.

Теоретична частина

Принцип маркування алюмінієвих металів. На початку вказується тип металу: Д - метали типу дюралюмінів; А – технічний алюміній; АК-ковкі алюмінієві сплави; В – високоміцні сплави; АЛ – ливарні сплави.

Далі вказується умовний номер металу. За умовним номером слідує позначення, що характеризує стан сплаву: М - м'який (відпалений); Т - термічно оброблений (загартування плюс старіння); Н-нагартований; П – напівнагартований.

За технологічними властивостями сплави поділяються на три групи: сплави, що деформуються, не зміцнювані термічною обробкою; деформовані метали, що зміцнюються термічною обробкою; ливарні метали. Методами порошкової металургії виготовляють спечені алюмінієві сплави (САС) та спечені алюмінієві порошкові сплави (САП).

Деформовані ливарні сплави, що не зміцнюються термічною обробкою.

Міцність алюмінію можна підвищити легуванням. У сплави, що не зміцнюються термічною обробкою, вводять марганець або магній. Атоми цих елементів значно підвищують його міцність, знижуючи пластичність. Позначаються метали: з марганцем - АМц, з магнієм - АМг; після позначення елемента вказується його зміст (АМг3).

Магній діє тільки як зміцнювач, марганець зміцнює та підвищує корозійну стійкість. Міцність сплавів підвищується лише внаслідок деформації у холодному стані. Чим більший ступінь деформації, тим більше зростає міцність і знижується пластичність. Залежно від ступеня зміцнення розрізняють сплави нагартовані та напівнагартовані (АМг3П).

Ці сплави застосовують виготовлення різних зварних ємностей для пального, азотної та інших кислот, мало- і середньонавантажених конструкцій. Сплави, що деформуються, зміцнювані термічною обробкою.

До таких сплавів відносяться дюралюміни (складні сплави систем алюміній – мідь – магній або алюміній – мідь – магній – цинк). Вони мають знижену корозійну стійкість, підвищення якої вводиться марганець. Дюралюміни зазвичай піддаються загартування з температури 500 про З природного старіння, якому передує дво-, тригодинний інкубаційний період. Максимальна міцність досягається через 4.5 діб. Широке застосування дюралюміни знаходять в авіабудуванні, автомобілебудуванні, будівництві.

Високоміцними старіючими металами є метали, які крім міді і магнію містять цинк. Сплави В95 В96 мають межу міцності близько 650 МПа. Основний споживач – авіабудування (обшивка, стрінгери, лонжерони).

Ковочні алюмінієві сплави АК, АК8 застосовують для виготовлення поковок. Поковки виготовляються за температури 380-450 про З, піддаються загартування від температури 500-560 про З старіння при 150-165 про З протягом 6 годин.

До складу алюмінієвих сплавів додатково вводять нікель, залізо, титан, які підвищують температуру рекристалізації та жароміцність до 300 про З.

Виготовляють поршні, лопатки та диски осьових компресорів, турбореактивних двигунів.

Ливарні метали

До ливарних металів відносяться метали системи алюміній - кремній (силуміни), що містять 10-13% кремнію. Присадка до силумін магнію, міді сприяє ефекту зміцнення ливарних сплавів при старінні. Титан та цирконій подрібнюють зерно. Марганець підвищує антикорозійні властивості. Нікель і залізо підвищують жароміцність.

Ливарні метали маркуються від АЛ2 до АЛ20. Силуміни широко застосовують для виготовлення литих деталей приладів та інших середньо- та малонавантажених деталей, у тому числі тонкостінних виливків складної форми.

Практична частина

Завдання для студентів:

1. Запишіть назву та мету роботи.

2. Заповніть таблицю:

Назва

сплаву, його

визначення

Основні

властивості

сплаву

Приклад

маркування

Розшифровка

марки

Область

застосування

Лабораторна робота №1

Тема: «Механічні властивості металів та методи їх вивчення (твердість)»

Мета роботи:

Хід роботи:

1.Ознайомтеся з теоретичними положеннями.

2.Виконайте завдання викладача.

3.Складіть звіт відповідно до завдання.

Теоретична частина

Твердістю називають здатність матеріалу чинити опір проникненню в нього іншого тіла. При випробуваннях на твердість тіло, що впроваджується в матеріал і називається індентором, має бути твердішим, мати певні розміри та форму, не повинно набувати залишкової деформації. Випробування на твердість можуть бути статичними та динамічними. До першого виду відносяться випробування методом вдавлювання, до другого - методом ударного вдавлювання. Крім того, існує метод визначення твердості дряпанням – склерометрія.

За значенням твердості металу можна скласти уявлення про рівень його властивостей. Наприклад, що стоїть твердість, визначена тиском наконечника, тим менше пластичність металу, і навпаки.

Випробування на твердість за методом вдавлювання полягають у тому, що зразок під дією навантаження вдавлюють індентор (алмазний, із загартованої сталі, твердого сплаву), що має форму кульки, конуса або піраміди. Після зняття навантаження на зразку залишається відбиток, вимірявши величину якого (діаметр, глибину або діагональ) та зіставивши її з розмірами індентора та величиною навантаження, можна судити про твердість металу.

Твердість визначається спеціальних приладах - твердомірах. Найчастіше твердість визначають методами Брінелля (ГОСТ 9012-59) та Роквелла (ГОСТ 9013-59).

Існують загальні вимоги до підготовки зразків та проведення випробувань цими методами:

1. Поверхня зразка має бути чистою, без дефектів.

2. Зразки повинні мати певну товщину. Після отримання відбитка на звороті не повинно бути слідів деформації.

3. Зразок повинен лежати на столику жорстко та стійко.

4. Навантаження має діяти перпендикулярно поверхні зразка.

Визначення твердості за Брінеллем

Твердість металу Брінеллю визначають вдавлюванням в зразок загартованої сталевої кульки (рис. 1) діаметром 10; 5 або 2,5 мм і виражають числом твердості НВ, отриманим поділом прикладеного навантаження Р в Н або кгс (1Н = 0,1 кгс) на площу поверхні відбитка F в мм, що утворився на зразку

Число твердості за Брінеллем HB виражається ставленням доданого навантаженняFдо площіSсферичної поверхні відбитка (лунки) на поверхні, що вимірюється.

HB = , (Мпа),

де

S– площа сферичної поверхні відбитка, мм 2 (виражена черезDіd);

D- Діаметр кульки, мм;

d- Діаметр відбитка, мм;

Величину навантаженняF, діаметр кулькиDі тривалість витримки під навантаженням τ вибирають по таблиці 1.

Рисунок 1. Схема вимірювання твердості методом Брінелля.

а) Схема вдавлювання кульки в випробуваний метал

FD- Діаметр кульки,d відп - Діаметр відбитка;

б) Вимірювання лупою діаметра відбитка (на малюнкуd=4,2 мм.

Таблиця 1.

Вибір діаметра кульки, навантаження та витримки під навантаженням залежно

від твердості та товщини зразка

більше 6

6…3

менше 3

29430 (3000)

7355 (750)

1840 (187,5)

Менш 1400

більше 6

6…3

менше 3

9800 (1000)

2450 (750)

613 (62,5)

Кольорові метали та сплави (мідь, латунь, бронза, магнієві сплави та ін.)

350-1300

більше 6

6…3

менше 3

9800 (1000)

2450 (750)

613 (62,5)

30

Кольорові метали (алюміній, підшипникові сплави та ін.)

80-350

більше 6

6…3

менше 3

10

5

2,5

2450 (250)

613 (62,5)

153,2 (15,6)

60

На малюнку 2 наведено схему важільного приладу. Зразок встановлюють на предметний столик 4. Обертаючи маховик 3, гвинтом 2 піднімають зразок до зіткнення його з кулькою 5 і далі до повного стиснення пружини 7, одягненої на шпиндель 6. Пружина створює попереднє навантаження на кульку, рівну 1 кН забезпечує стійке становище зразка під час навантаження. Після цього включають електродвигун 13 через черв'ячну передачу редуктора 12, шатун 11 і систему важелів 8,9, розташованих в корпусі 1 твердоміра з вантажами 10 створює задану повне навантаження на кульку. На випробуваному зразку виходить кульовий відбиток. Після розвантаження приладу зразок знімають та визначають діаметр відбитка спеціальною лупою. За розрахунковий діаметр відбитка приймають середнє арифметичне значення вимірів у двох взаємно перпендикулярних напрямках.

Рисунок 2. Схема приладу Брінелля

За наведеною вище формулою, використовуючи вимірюваний діаметр відбитка, обчислюється число твердості HB. Число твердості залежно від діаметра отриманого відбитка можна знайти за таблицями (див. таблицю чисел твердості).

При вимірюванні твердості кулькою діаметром D = 10,0 мм під навантаженням F = 29430 Н (3000 кгс) з витримкою τ = 10 с – число твердості записується так:HB2335 МПа або за старим позначенням НВ 238 (у кгс/мм 2 )

При вимірі твердості за Брінеллем необхідно пам'ятати наступне:

Можна випробовувати матеріали з твердістю трохи більше НВ 4500 Мпа, оскільки за більшої твердості зразка відбувається неприпустима деформація самої кульки;

Щоб уникнути продавлювання, мінімальна товщина зразка повинна бути не менше десятикратної глибини відбитка;

Відстань між центрами двох сусідніх відбитків має бути не меншою за чотири діаметри відбитка;

Відстань від центру відбитка до бічної поверхні зразка має бути не менше ніж 2,5d.

Визначення твердості за Роквеллом

За методом Роквелла твердість металів визначають вдавлюванням у випробуваний зразок кульки із загартованої сталі діаметром 1,588 мм або алмазного конуса з кутом при вершині 120 про під дією двох послідовно навантажень, що додаються: попередньої Р0 = 10 кгс і загальної Р, що дорівнює сумі попередньої Р0 і основний Р1навантажень (рис. 3).

Число твердості за РоквелломHRвимірюється в умовних безрозмірних одиницях та визначається за формулами:

HR c = – при вдавлюванні алмазного конуса

HR в = - При вдавлюванні сталевої кульки,

де 100– число поділів чорної шкали, 130 – число поділів червоної шкали У циферблата індикатора, що вимірює глибину вдавлювання;

h 0 - Глибина вдавлювання алмазного конуса або кульки під дією попереднього навантаження. Мм

h– глибина вдавлювання алмазного конуса або кульки під дією загального навантаження, мм

0,002 – ціна розподілу шкали циферблату індикатора (переміщення алмазного конуса при вимірі твердості на 0,002 мм відповідає переміщенню стрілки індикатора на один розподіл), мм

Вид наконечника та величина навантаження вибирається за таблицею 2, залежно від твердості та товщини випробуваного зразка. .

Число твердості за Роквеллом (HR) є мірою глибини вдавлювання індентора і виявляється у умовних одиницях. За одиницю твердості прийнято безрозмірну величину, що відповідає осьовому переміщенню на 0,002 мм. Число твердості за Роквеллом вказується безпосередньо стрілкою на шкалі С або В індикатора після автоматичного зняття основного навантаження. Твердість однієї й тієї ж металу, визначена різними методами виражається різними одиницями твердості.

Наприклад,HB 2070, HR c 18 абоHR в 95.

Рисунок 3. Схема вимірювання твердості за Роквеллом

Таблиця 2

В

HR В

Сталева кулька

981 (100)

0,7

25…100

за шкалою В

від 2000 до 7000 (загартовані сталі)

З

HR З

Алмазний конус

1471 (150)

0,7

20…67

за шкалою С

Від 4000 до 9000 (деталі, що піддалися цементації або азотуванню, тверді сплави та ін.)

А

HR А

Алмазний конус

588 (60)

0,4

70…85

за шкалою В

Метод Роквелла відрізняється простотою і високою продуктивністю, забезпечує збереження якісної поверхні після випробування, дозволяє випробовувати метали та сплави як низької, так і високої твердості. Цей метод не рекомендується застосовувати для сплавів з неоднорідною структурою (чавуни сірі, ковкі та високоміцні, антифрикційні підшипникові сплави та ін.).

Практична частина

Зміст звіту.

Вкажіть назву роботи, її мету.

Дайте відповідь на питання:

1. Що називається твердістю?

2. У чому є сутність визначення твердості?

3. Які 2 способи визначення твердості ви знаєте? У чому їхня відмінність?

4. Як потрібно підготувати зразок до випробування?

5. Чим пояснити відсутність універсального способу визначення твердості?

6. Чому з багатьох механічних характеристик матеріалів найчастіше визначають твердість?

7. Зафіксуйте в зошиті схему визначення твердість за Брінель і Роквеллом.

Лабораторна робота №2

Тема: «Механічні властивості металів та методи їх вивчення (міцність, пружність)»

Мета роботи: вивчити механічні властивості металів, методи вивчення.

Хід роботи:

1.Ознайомтеся з теоретичними положеннями.

2.Виконайте завдання викладача.

3.Складіть звіт відповідно до завдання.

Теоретична частина

Основними механічними властивостями є міцність, еластичність, в'язкість, твердість. Знаючи механічні властивості, конструктор обґрунтовано вибирає відповідний матеріал, що забезпечує надійність та довговічність конструкцій за їх мінімальної маси.

Механічні властивості визначають поведінку матеріалу при деформації та руйнуванні від дії зовнішніх навантажень. Залежно та умовами навантаження механічні властивості можуть визначатися при:

1. Статичному навантаженні - навантаження на зразок зростає повільно та плавно.

2. Динамічне навантаження - навантаження зростає з великою швидкістю, має ударний характер.

3. Повторно-змінне або циклічне навантаження - навантаження в процесі випробування багаторазово змінюється за величиною або за величиною і напрямом.

Для отримання порівняних результатів зразки та методика проведення механічних випробувань регламентовані ГОСТами. При статичному випробуванні на розтяг: ГОСТ 1497 набувають характеристики міцності та пластичності.

Міцність – здатність матеріалу чинити опір деформаціям та руйнуванню.

Пластичність - це здатність матеріалу змінювати свої розміри та форму під впливом зовнішніх сил; міра пластичності – величина залишкової деформації.

Пристрій, що визначає міцність і пластичність - це розривна машина, яка записує діаграму розтягування (див. рис. 4), що виражає залежність між подовженням зразка і навантаженням, що діє.

Рис. 4. Діаграма розтягування: а - абсолютна, б - відносна.

Ділянка оа на діаграмі відповідає пружній деформації матеріалу, коли дотримується закону Гука. Напруга, що відповідає пружній граничній деформації в точці а, називається межею пропорційності.

Межа пропорційності - це найбільша напруга, до досягнення якої справедливий закон Гука.

При напругах вище межі пропорційності відбувається рівномірна пластична деформація (подовження або звуження перерізу).

Точка b – межа пружності – найбільша напруга, до досягнення якої у зразку не виникає залишкової деформації.

Майданчик сd – майданчик текучості, він відповідає межі плинності – це напруга, у якому у зразку відбувається збільшення деформації без збільшення навантаження (матеріал «тече»).

Багато марки сталі, кольорових металів немає яскраво вираженої площадки плинності, тому їм встановлюють умовний межа плинності. Умовна межа плинності – це напруга, яка відповідає залишковій деформації, що дорівнює 0,2% від початкової довжини зразка (сталь легована, бронза, дюралюміній та ін. матеріали).

Точка відповідає межі міцність (на зразку з'являється місцеве утоншення - шийка, утворення утончення характерно для пластичних матеріалів).

Межа міцності - це максимальна напруга, яка витримує зразок до дозволу (тимчасовий опір розриву).

За точкою навантаження падає (внаслідок подовження шийки) і руйнування відбувається в точці До.

Практична частина.

Зміст звіту.

1. Вкажіть назву роботи, її мету.

2. Які механічні властивості ви знаєте? Якими методами визначаються механічні властивості матеріалів?

3. Запишіть визначення понять міцність та пластичність. Якими способами вони визначаються? Як називається пристрій, який визначає ці властивості? З допомогою чого визначаються властивості?

4. Зафіксуйте абсолютну діаграму розтягування пластичного матеріалу.

5. Після діаграми вкажіть назви всіх точок та ділянок діаграми.

6. Яка межа є основною характеристикою при виборі матеріалу для виготовлення якогось виробу? Відповідь обґрунтуйте.

7. Які матеріали більш надійні у роботі крихкі чи пластичні? Відповідь обґрунтуйте.

Список літератури

Основна:

Адаскін А.М., Зуєв В.М. Матеріалознавство (металообробка). - М: ОІЦ «Академія», 2009 - 240 с.

Адаскін А.М., Зуєв В.М. Матеріалознавство та технологія матеріалів. - М.: ФОРУМ, 2010 - 336 с.

Чумаченко Ю.Т. Матеріалознавство та слюсарна справа (НУО та СПО). - Ростов н / Д.: Фенікс, 2013 - 395 с.

Додаткова:

Жуковець І.І. Механічні випробування металів. - М.: Вищ.шк., 1986. - 199 с.

Лахтін Ю.М. Основи матеріалознавства. - М.: Металургія, 1988.

Лахтін Ю.М., Леонтьєва В.П. Матеріалознавство. - М: Машинобудування, 1990.

Електронні ресурси:

1. Журнал "Матеріалознавство". (Електронний ресурс) - форма доступу http://www.nait.ru/journals/index.php?p_journal_id=2.

2. Матеріалознавство: освітній ресурс, форма доступу http://www.supermetalloved/narod.ru.

3. Марочник сталей. (Електронний ресурс) – форма доступу www.splav.kharkov.com.

4. Федеральний центр інформаційно-освітніх ресурсів. (Електронний ресурс) – форма доступу www.fcior.ru.

Запитання до іспиту для 2 курсу факультету ІМ
Питання до іспиту для магістрантів 1 курсу ІМ

Лабораторні роботи

Лабораторні журнали з курсу «Матеріалознавство»

(На лабораторних роботах студентам необхідно мати при собі роздруковану версію лабораторних журналів)

Лабораторні роботи з курсу «Матеріалознавство»

Laboratory work on the course «Materials Science»

Основна навчальна та навчально-методична література з дисциплін, що читаються на кафедрі

Цикл Матеріалознавство

1. Богодухів С.І., Козік О.С. Матеріалознавство. Підручник для вишів. - М.: Машинобудування, 2015. - 504 с.
2. Соннцев Ю.П., Пряхін Є.І. Матеріалознавство. Підручник для вишів. - СПб.: ХІМІЗДАТ, 2007. - 784 с.
3. Арзамасов В.Б., Черепахін А.А. Матеріалознавство. Підручник - М.: Іспит, 2009. - 352 с.: іл.
4. Оськін В.А., Байкалова В.М., Карпенков В.Ф. Практикум з матеріалознавства та технології конструкційних матеріалів: Навчальний посібник для вузів (за ред. Оськіна В.А., Байкалової В.М.). - М.: Колос, 2007. - 318 с.: іл.
5. Матеріалознавство та технологія металів: підручник для вузів / Г.П. Фетісов та ін. – 6-те вид., дод. - М.: Вища школа, 2008. - 878 с.
6. Матеріалознавство та технологія металів: підручник для вузів з машинобудівних спеціальностей/Г.П. Фетісов, М.Г. Карпман та ін - М.: Вища школа, 2009. - 637 с.
7. Медведєва М.Л., Прыгаєв А.К. Зошит з матеріалознавства. Методичний посібник - М.: Видавничий центр РГУ нафти та газу ім. І.М. Губкіна, 2010, 90 с.
8. Єфименко Л.А., Єлагіна О.Ю., Пригаєв А.К., Вишемирський Є.М., Капустін О.Є., Мурадов А.В. Перспективні та традиційні трубні сталі для будівництва газонафтопроводів. Монографія. - М.: Логос, 2011, 336 с.
9. Прыгаєв А.К., Куракін І.Б., Васильєв А.А., Кривошеєв Ю.В. Обґрунтування вибору конструкційних матеріалів та розробка режимів їх термічної обробки для виготовлення деталей машин та обладнання нафтогазової галузі. Методичний посібник до курсової роботи з дисципліни "Матеріалознавство" - М.: РГУ нафти та газу імені І.М. Губкіна, 2015
10. Фектист Г.П., Карпман М.Г., Міатюхін В.М. та ін. Матеріалознавство та технологія матеріалів. - М.: Вища школа, 2000 р.
11. Гуляєв А.П. Матеріалознавство. - М.: Металургія, 1986 р.
12. Єфименко Л.А., Прыгаєв А.К., Єлагіна О.Ю. Металознавство та термічна обробка зварних з'єднань. Навчальний посібник. - М.: Логос, 2007. - 455 с.: Іл.
13. Методичні посібники до лабораторних робіт з курсу «Матеріалознавство» ч. 1 та ч. 2, - М.: РГУ нафти та газу, 2000 р.
14. Трофімова Г.А. Методичні посібники до лабораторних робіт «Побудова та аналіз термомеханічної кривої для аморфних полімерів» та «Визначення механічних властивостей пластмас та гум». - М.: РГУ нафти та газу імені І.М. Губкіна, 1999

Цикл Корозія та захист обладнання НГП

1. Семенова І.В., Флоріанович Г.М., Хорошілов А.В. Корозія та захист від корозії. - М: Фізматліт, 2010. - 416 с.
2. Медведєва М.Л. Корозія та захист обладнання при переробці нафти та газу. Навчальний посібник. М.: ФГУП вид-во «Нафта та газ» РГУ нафти та газу ім. І.М.Губкіна, 2005. - 312 с.: Іл.
3. Медведєва М.Л., Мурадов А.В., Пригаєв А.К. Корозія та захист магістральних трубопроводів та резервуарів: Навчальний посібник для вузів нафтогазового профілю. - М.: Видавничий центр РГУ нафти та газу імені І.М. Губкіна, 2013. - 250 с.
4. Сорокін Г.М., Єфремов А.П., Саакіян Л.С. Корозійно-механічне зношування сталей та сплавів. -М.: Нафта та газ, 2002 р.

Цикл Трибологія

1. Сорокін Г.М., Малишев В.М., Куракін І.Б. Трибологія сталей та сплавів: Навчальний посібник для вузів. - М.: Російський державний університет нафти та газу імені І.М. Губкіна, 2013. - 383 с.: іл.
2. Сорокін Г.М., Куракіним І.Б. Системний аналіз та комплексні критерії міцності сталей. - М.: ТОВ «Видавничий дім Надра», 2011. - 101 с.
3. Сорокін Г.М. Трибологія сталей та сплавів. М: Надра, 2000 р.
4. Виноградов В.М., Сорокін Г.М. Механічне зношування сталей та сплавів: Навчальний посібник для вузів. - М.: Надра, 1996. - 364 с.: Іл.
5. Виноградов В.М., Сорокін Г.М. Зносостійкість сталей та сплавів: Навчальний посібник для вузів. - М.: Нафта і газ, 1994. - 417 с.: Іл. 246.

Тема:Вивчення процесу кристалізації металів

Мета роботи:вивчити механізм кристалізації металів, енергетичні умови перебігу процесу кристалізації.

Порядок виконання роботи

1. Вивчити теоретичні відомості.

2. У зошиті для практичних робіт письмово відповісти на контрольні питання.

Теоретичні відомості

Загальна властивість металів і сплавів - їхня кристалічна будова, яка характеризується певним розташуванням атомів у просторі. Для опису атомно-кристалічної структури застосовують поняття кристалічного осередку - найменшого обсягу, трансляція якого за всіма вимірами може повністю відтворити структуру кристала. У реальному кристалі атоми або іони зближені один з одним до безпосереднього дотику, але для простоти їх замінюють схемами, де центри тяжіння атомів або іонів зображені точками; Найбільш характерні для металів осередки показано на рис. 1.1.

Рис.1.1. Типи кристалічних грат та розташування в них атомів:

а) гранецентрована (ГЦК); б) об'ємноцентрована (ОЦК); в) гексагональна щільноупакована (ГЩ)

Будь-яка речовина може перебувати в трьох агрегатних станах: твердому, рідкому та газоподібному, а перехід з одного стану в інший відбувається за певної температури і тиску. Більшість технологічних процесів відбувається при атмосферному тиску, тоді фазові переходи характеризуються температурою кристалізації (плавлення), сублімації та кипіння (випаровування).

При збільшенні температури твердого тіла зростає рухливість атомів у вузлах кристалічного осередку, збільшується їхня амплітуда коливань. При досягненні температури плавлення енергії атомів стає достатньо, щоб залишити комірку - вона руйнується з утворенням рідкої фази. Температура плавлення є важливою фізичною константою матеріалів. Серед металів найнижчу температуру плавлення має ртуть (-38,9°С), а найбільше – вольфрам (3410°С).

Зворотна картина має місце при охолодженні рідини з її подальшим затвердінням. Поблизу температури плавлення утворюються групи атомів, упакованих у комірки, як і твердому тілі. Ці групи є центрами (зародками) кристалізації, ними потім наростає шар кристалів. При досягненні тієї ж температури плавлення матеріал переходить у рідкий стан з утворенням кристалічних ґрат.

Кристалізація - перехід металу з рідкого стану в тверде за певної температури. Відповідно до закону термодинаміки, будь-яка система прагне перейти у стан із мінімальним значенням вільної енергій – складової внутрішньої енергії, яка ізотермічно може бути перетворена на роботу. Тому метал твердне, коли менше вільної енергією має твердий стан і плавиться, коли менше вільна енергія в рідкому стані.

Процес кристалізації складається з двох елементарних процесів: зародження центрів кристалізації та зростання кристалів із цих центрів. Як зазначалося вище, за близької кристалізації температурі починається утворення нової структури - центру кристалізації. Зі збільшенням ступеня переохолодження збільшується кількість таких центрів, навколо яких починають рости кристали. У той самий час у рідкої фазі утворюються нові центри кристалізації, тому збільшення твердої фази одночасно відбувається за рахунок виникнення нових центрів, і з допомогою зростання існуючих. Сумарна швидкість кристалізації залежить від ходу обох процесів, причому швидкості зародження центрів та зростання кристалів залежать від ступеня переохолодження ΔТ. На рис. 1.2 схематично показаний механізм кристалізації.

Рис. 1.2. Механізм кристалізації

Реальні кристали називаються кристаллітами, вони мають неправильну форму, що їх одночасним зростанням. Зародками кристалізації можуть бути флуктуації основного металу, домішки та різні тверді частинки.

Розміри зерен залежать від ступеня переохолодження: при малих значеннях Т швидкість росту кристалів велика, тому утворюється незначна кількість великих кристаллітів. Збільшення Т призводить до збільшення швидкості утворення зародків, кількість кристалітів істотно збільшується, а їх розміри зменшуються. Проте головну роль для формування структури металу грають домішки (неметалеві включення, окисли, продукти розкислення) - що їх більше, тим менше розміри зерен. Іноді спеціально проводять модифікування металу - навмисне запровадження домішок з метою зменшення розмірів зерен.

При освіті кристалічної структури важливу роль відіграє напрямок відведення теплоти, адже кристал зростає швидше саме в цьому напрямку. Залежність швидкості зростання напряму призводить до утворення розгалужених деревоподібних кристалів - дендритів (рис. 1.3).

Рис. 1.3 Дендритний кристал

При переході з рідкого стану в тверде завжди має місце вибіркова кристалізація - насамперед твердіє більш чистий метал. Тому межі зерен більше збагачені домішками, а неоднорідність хімічного складу в межах дендритів називається дендритною ліквацією.

На рис. 1.4. показано будову сталевого зливка, в якому можна виділити 3 характерні зони: дрібнозернисту 1, зону стовпчастих кристалів 2 і зону рівноважних кристалів 3. Зона 1 складається з великої кількості неорієнтованих просторі кристалів, утворених під дією значної різниці температур між рідким металом і холодними стінками.

Рис. 1.4. Будова сталевого зливка

Після утворення зовнішньої зони умови відведення теплоти погіршуються, зменшується переохолодження і центрів кристалізації виникає менше. З них починають рости кристали у напрямку відведення теплоти (перпендикулярно стінкам форми), утворюючи зону 2. У зоні 3 немає чіткого напрямку відведення теплоти, а зародками кристалізації в ній є сторонні частки, витіснені при кристалізації попередніх зон.

Контрольні питання

1. У яких агрегатних станах може бути матеріал?

2. Що називається фазовим перетворенням І роду?

3. Який процес називається кристалізацією, якого типу фазового перетворення він належить?

4. Опишіть механізм кристалізації металу та умови, необхідні для його запуску.

5. Чим викликана дендритна форма кристалів?

6. Опишіть структуру металевого зливка