Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ» (КНИТУ - КАИ)

Зеленодольский институт машиностроения и информационных технологий (филиал) КНИТУ-КАИ

Отделение среднего профессионального образования

Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ

дисциплины ОП.04 Материаловедение

для специальности 26.02.04 Монтаж и техническое обслуживание судовых машин и механизмов

Зеленодольск, 2016 г.

Пояснительная записка

Прочность, осознанность и действенность знаний студентов наиболее эффективно обеспечивается при помощи активных методов. Среди них важное место занимают практические занятия. Необходимость формирования навыков анализа и синтеза информации, навыков работы с информационными источниками, умений давать определение понятиям в виде чётких и ясных вербальных конструкций является необходимым условием для формирования профессиональных компетентностей любого специалиста.

Методические рекомендации направлены на оказание методической помощи студентам при проведении лабораторных занятий по дисциплине Материаловедение

Темы для практических занятий выбраны в соответствии с изучаемыми темами и разделами дисциплины.

Согласно ФГОС СПО и программе обучения, лабораторные работы направлены на формирование знаний и умений по дисциплине, а именно:

В результате освоения учебной дисциплины обучающийся должен

уметь:

· распознавать и классифицировать конструкционные и сырьевые материалы по внешнему виду, происхождению, свойствам;

· определять виды конструкционных материалов;

· выбирать материалы для конструкций по их назначению и условиям эксплуатации;

· проводить исследования и испытания материалов;

знать:

· закономерности процессов кристаллизации и структурообразования металлов и сплавов, основы их термообработки, способы зашиты металлов от коррозии;

· требования, предъявляемые к свойствам инструментальных материалов;

· классификацию и способы получения композиционных материалов;

· принципы выбора конструкционных материалов для применения в производстве;

· строение и свойства металлов, методы их исследования;

классификацию материалов, металлов и сплавов, их области применения.

· свойства и основы производства порошковых материалов;

· виды коррозии металлов и способы их защиты



Методические рекомендации по подготовке, организации и проведению лабораторных работ

Ход работ: лабораторные работы выполняется в аудиторное время в лаборатории материаловедения

Каждая лабораторная работа проводится по следующему алгоритму:

1. Ознакомление студентов с целями, содержанием, критериями оценки практической работы.

2. Ознакомление студентов с учебной, дополнительной литературой, информационными ресурсами, интернет - источниками (при необходимости).

3. Ознакомление студентов с раздаточным материалом - «Инструкцией по выполнению работы» работой на электронном или бумажном носителе.

4. Ознакомление студентов с требованиями оформления практической работы.

5. Самостоятельная работа студента по выполнению заданий работы.

6. Консультирование с лабораторных студента по возникающим вопросам в ходе практической работы.

7. Анализ и оценка выполненной практической работы в соответствии с критериями оценки конкретного задания.

Практическая работа выполняется в ходе изучения, либо по окончанию изучения темы или раздела учебной программы. Работа оформляется в рабочей тетради или в специально оговорённой преподавателем форме, например, в форме информационного листа, кроссворда.

Работа сдаётся преподавателю в отведённые на практическое занятие сроки в соответствие с календарно-тематическим планом дисциплины. Если студент не сдал работу в отведённые преподавателем временные и календарные сроки, то оценка может снизиться на один балл.

Практические работы по обществознанию включает в себя комплекс заданий для обобщения, систематизации и проверки приобретенных студентами знаний, умений и навыков и позволяют лучше усвоить изучаемый и пройденный материал.



Лабораторная работа №1

Определение твердости металлов методом Бринеля и Роквелла.

Введение

Твердостью называется способность металлов и сплавов сопротивляться действию пластической деформации при контактном приложении нагрузки. Испытание на твердость благодаря своей простоте находит широкое применение при испытании материалов и готовых изделий. Кроме того, следует иметь в виду, что величина твердости связана с пределом прочности в материалов и благодаря этому оказывается возможным определить прочность материалов без их разрушения. Так, например, для углеродистых сталей между числом твердости по Бринелю и пределом прочности в существует следующая зависимость:

Определение твердости по Бринелю

В испытуемый материал А под определенной нагрузкой Р вдавливается стальной закаленный шарик диаметром D. По величине отпечатка d судят о твердости. Число твердости по Бринелю НВ определяется как отношение нагрузки, действующей на шарик к поверхности отпечатка (сегмента) F, т.е.

Из рис. 1 можно определить поверхность шарового сегмента, используя известное из геометрии соотношение , где h - глубина отпечатка.

Выражая глубину отпечатка h через его диаметр и диаметр шарика, получим



Рис. 1

Тогда

Однако производить каждый раз расчеты твердости НВ по формуле нет необходимости, поскольку для различных значений диаметра отпечатка составлены таблицы (см. приложение).

Определение твердости образцов производится с помощью рычажного автоматического пресса Бринеля типа ПВМ.

Работа на прессе осуществляется следующим образом. Перед началом испытаний устанавливаются грузы и шарик в зависимости от рода и толщины испытуемого материала. Рычаг с подвесками без грузов уравновешивает нагрузку на шарик 187,5 кг. Подбором грузов можно осуществить следующие нагрузки: 187,5; 250; 500; 750; 1000 и 3000 кг.

Испытуемый материал помещается на столик и при помощи винта, приводимого в движение вращением маховичка или рукоятки, поднимается к шарику, укрепленному в оправке, до тех пор, пока пружина, прижимающая шарик к образцу, не сожмется до отказа, а указатель не станет против риски, создавая этим предварительную нагрузку 100 кг. Затем нажатием кнопки (сбоку пресса) включается электродвигатель, который через коробку скоростей приводит во вращательное движение эксцентрик. Эксцентрик, вращаясь, опускает шатун вниз, в результате чего грузы через систему рычагов создают нагрузку на шарик.

При дальнейшем вращении эксцентрика шатун поднимается, снимает нагрузку с шарика, возвращает рычаги и грузы в исходное положение. Возвращение грузов в исходное положение сигнализируется звонком и сопровождается выключением электродвигателя. Вращением маховичка или рукоятки в обратную сторону опускают стол, испытуемый образец отводят от шарика, после чего измеряют диаметр отпечатка с помощью лупы (с точностью до 0,01 мм) и по таблице, зная нагрузку и диаметр шарика, находят твердость по Бринелю.

Определение твердости по Роквеллу

Сущность метода определения твердости по Роквеллу состоит в том, что в качестве вдавливаемого тела (индентора) применяется алмазный конус с углом при вершине 120є или стальной закаленный шарик диаметром 1,16 дм (1,54 мм)

.

Рис. 3

Нагрузка при этом составляет соответственно 150 (HRC) и 100 (HRB) кг. Алмазный конус применяется для испытаний твердых материалов, а шарик - для более мягких (рис. 3).

Для определения твердости по Роквеллу испытуемый образец устанавливается на столик 1 прибора (рис. 4). При помощи штурвала 2 образец подводится к индикатору 3, на индикаторе устанавливается маленькая стрелка против красной точки. Легким нажимом откидывают назад рукоятку 5, и она медленно перемещается до упора, вследствии чего автоматически включается рычажная система с грузами 7-9. После того, как движение рукоятки прекратится, ее возвращают обратно, чем снимается основная нагрузка. Большая стрелка будет указывать величину твердости по Роквеллу.

Рис. 4

Числа твердости по Роквеллу можно перевести в числа твердости по Бринелю, пользуясь таблицей (приложение).

Определение микротвердости материалов

Часто очень важно знать твердость очень больших по площади или толщине участков материала (например, твердость поверхностных слоев при химико-термической обработке или отдельных зерен твердого раствора. В этих случаях проводят измерение микротвердости материала - т.е. в образец вдавливается алмазная четырехгранная пирамида под нагрузкой от 2 до 200г. Размер отпечатка (диагональ) измеряется с помощью микроскопа при увеличении в 465 крат (рис. 5).

Рис. 5. Исследование микротвердости материалов

Цель работы

Цель работы состоит в изучении методов определения твердости материалов (методом Бринеля, Роквелла, определение микротвердости) и по полученным данным устанавливается связь твердости с концентрацией углерода в сталях и связь предела прочности с твердостью материалов.

Значение твердости измеряется на каждом образце не менее трех раз и в таблицу записывается среднее значение твердости.

Задание

1. Сформулировать цель работы.

2. Измерить значение твердости указанных образцов.

3. Построить зависимость твердости сталей от содержания в них углерода.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется твердостью материала?

2. Дать определение твердости по Бринелю и по Роквеллу.

3. Какова связь твердости материала с пределом прочности?

4. В каких случаях следует применять метод измерения твердости по Бринелю и в каких по методу Роквелла?

5. Как измеряется микротвердость материалов?

Лабораторная работа №2

Испытание металлов на растяжение

Цель работы

Ознакомиться с проведением испытания на растяжение и определением показателей прочности и пластичности.

Приборы и материалы:

Разрывная машина Р 0,5, штангенциркуль, мерительная линейка, набор проволочных образцов.

Основные положения

Металлы и сплавы, используемые в качестве конструкционных материалов, должны обладать определенными механическими свойствами - прочностью, упругостью, пластичностью, твердостью.

Прочность - это способность металла сопротивляться деформации и разрушению.

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних сил. Деформации подразделяются на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия сил. В основе пластических деформаций - необратимые перемещения атомов от исходных положений на расстояния, большие межатомных, изменение формы отдельных зерен металла, их расположения в пространстве.

Способность металлов пластически деформироваться называется пластичностью. Пластичность обеспечивает конструктивную прочность деталей под нагрузкой и нейтрализует влияние концентратов напряжений - отверстий, вырезов и т.п. При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств, в частности при холодном деформировании повышается прочность, но снижается пластичность.

Большинство механических характеристик металла определяют в результате испытания образцов на растяжение (ГОСТ 1497-84).

При растяжении образцов с площадью поперечного сечения F_о и рабочей (расчетной) длиной l_о строят диаграмму растяжения в координатах: нагрузка Р - удлинение ?l образца (рис. 1).

Диаграмма растяжения характеризует поведение металла при деформировании от момента начала нагружения до разрушения образца. На диаграмме выделяют три участка: упругой деформации - до нагрузки Р_упр; равномерной пластической деформации от Р_упр до Р_mах и сосредоточенной пластической деформации от Р_mах до Р_к. Если образец нагрузить в пределах Р_упр, а затем полностью разгрузить и замерить его длину, то никаких последствий нагружения не обнаружится. Такой характер деформирования образца называется упругим. При нагружении образца более Р_упр появляется остаточная (пластическая) деформация. Пластическое деформирование идет при возрастающей нагрузке, так как металл упрочняется в процессе деформирования. Упрочнение металла при деформировании называется наклепом. При дальнейшем нагружении пластическая деформация, а вместе с ней и наклеп все более увеличиваются, равномерно распределяясь по всему объему образца. После достижения максимального значения нагрузки Р_mах в наиболее слабом месте появляется местное утонение образца - шейка, в которой в основном и протекает дальнейшее пластическое деформирование. В это время между деформированными зернами, а иногда и внутри самих зерен могут зарождаться трещины. В связи с развитием шейки, несмотря на продолжающееся упрочнение металла, нагрузка уменьшается от Р_mах до Р_к, и при нагрузке Р_к происходит разрушение образца. При этом упругая деформация образца (?l_упр) исчезает, а пластическая (?l_ост) остается (рис. 1).



Рис. 1. Диаграмма растяжения металла

При деформировании твердого тела внутри него возникают внутренние силы. Величину сил, приходящуюся на единицу площади поперечного сечения образца, называют напряжением. Размерность напряжения кгс/мм², или МПа (1 кгс/мм²=10 МПа).

Отмеченные выше нагрузки на кривой растяжения (Р_упр, Р_т, Р_mах, Р_к) служат для определения основных характеристик прочности (напряжений): предела упругости, физического предела текучести, временного сопротивления (предела прочности) и истинного сопротивления разрушению. В технических расчетах вместо предела прочности обычно используется условный предел текучести, которому соответствует нагрузка Р_0,2 (рис. 2).



Рис. 2. Участок диаграммы растяжения металла

При растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непрерывно уменьшается. Но поскольку площадь поперечного сечения образца в каждый данный момент определить сложно, то при расчете предела упругости, предела текучести и временного сопротивления пользуются условными напряжениями, считая, что поперечное сечение образца остается неизменным. Истинное напряжение рассчитывается только при определении сопротивления разрушению.

Условный предел текучести (у_0,2) - это напряжение, при котором образец получает остаточное (пластическое) удлинение, равное 0,2% своей расчетной длины.

Временное сопротивление (предел прочности) у_b - это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца.

Временное сопротивление (предел прочности) характеризует несущую способность материала, его прочность, предшествующую разрушению.

Истинное сопротивление разрушению (S_k) - истинное напряжение, предшествующее моменту разрушения образца

Для оценки пластичности металла служат относительное остаточное удлинение образца при растяжении (д_р, %) и относительное остаточное сужение площади поперечного сечения образца (Ш_р, %).

Практически для определения нагрузки, которая вызывает деформацию, соответствующую условному пределу текучести, следует выполнить следующие действия.

На диаграмме растяжения провести прямую ОА (рис. 2), совпадающую с прямолинейным участком диаграммы растяжения.

Определить положение точки О. Через точку О провести ось ординат ОР. Масштаб записи диаграммы по нагрузке: одному миллиметру ординаты соответствует 2 кгс нагрузки. Численная величина искомой нагрузки Р (кгс) равна соответствующей ординате диаграммы (мм), умноженной на масштаб диаграммы (2 кгс/мм).

Для определения нагрузки, соответствующей условному пределу текучести Р_0,2, необходимо от начала координат по оси абсцисс отложить отрезок ОВ, величина которого равна заданному остаточному удлинению 0,2%.

Из точки В провести прямую ВД, параллельную прямолинейному участку диаграммы растяжения (рис. 2), до пересечения с диаграммой.

Используя известный масштаб записи диаграммы по нагрузке, определить численные значения нагрузок Р₀₂, Р_mах, Р_к, после чего рассчитать соответствующее напряжения: у_0,2, у_b, S_к. Полученные данные занести в протокол испытания.

Протокол испытания

Марка материала

№ п/п	Снимаемые параметры	Обозначение	Размер	Численная величина
1. 2. 3.	Исходные данные Рабочая длина образца до испытания Диаметр образца до испытания	l о dо Fо М	мм мм мм2
4.	Площадь поперечного сечения образца до испытания
	Масштаб записи диаграммы по
	деформации
5.	Результаты испытаний	Р02 Рмах Рк dk Fк	кгс
6. 7. 8. 9.	Нагрузка, соответствующая пластическому удлинению образца на 0,2% Максимальная нагрузка при испытании Нагрузка в момент разрушения		кгс кгс мм мм2
	Диаметр образца в месте разрушения
10.	Площадь поперечного сечения образца в месте разрушения Рабочая длина образца после испытания	l к	мм
11. 12. 13. 14. 15.	Характеристика прочности и пластичности Условный предел текучести Временное сопротивление (предел прочности) Истинное сопротивление разрушению Относительное остаточное удлинение Относительное остаточное сужение	у0,2 уb Sк др шр	кгс/мм2 кгс/мм2 кгс/мм2 % %

Содержание отчета

1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Диаграмма растяжения (рис. 1).

4. Определения основных характеристик прочности и пластичности.

5. Протокол испытаний.

6. Выводы.

Контрольные вопросы для самопроверки

1. Какими механическими свойствами характеризуются конструкционные материалы?

2. Что такое прочность?

3. Что называется деформацией?

4. Что называется упругой деформацией?

5. Что называется пластической деформацией?

6. Как влияет холодная пластическая деформация на прочность и пластичность?

7. Какие характерные участки можно выделить на диаграмме растяжения?

8. Почему пластическая деформация идет при возрастающей нагрузке?

9. Что такое наклеп?

10. Что такое напряжение?

11. Почему различают истинные и условные напряжения?

12. Что такое условный предел текучести, временное сопротивление и истинное сопротивление разрушению?

13. Какие вы знаете характеристики пластичности?



Лабораторная работа №3

Испытания на ударную вязкость

Общие положения

При обработке металлов, при эксплуатации металлических деталей и изделий могут иметь место процессы пластической деформации, протекающие с различной скоростью. Одни детали или изделия могут деформироваться в течение ряда лет, другие - за малые доли секунды.

Размерность скорости деформации - 1/сек.

Практически встречаются скорости деформации от 10^-10 1/сек до 10⁵ 1/сек (при взрывных процессах).

Скорость деформации при статических механических испытаниях как правило находится в пределах 10^-4?10^-2 1/сек. Динамические испытания обычно проводятся со скоростью деформации порядка 10² 1/сек, т.е. при динамических испытаниях скорость деформации больше, чем при статических примерно в 10⁵ раз.

При изменении скорости деформации меняется поведение дефектов кристаллической решетки (в первую очередь дислокаций): увеличивается их количество, затрудняется перемещение. Результатом этого является изменение механических свойств при динамических испытаниях по сравнению со статическими. Это изменение заключается в том, что прочностные характеристики при динамическом нагружении увеличиваются, а характеристики пластичности, как правило, уменьшаются.

Изменения скорости пластической деформации может изменять механизм деформации. Если, например, при статических испытаниях чистого железа при комнатной температуре процесс пластической деформации осуществляется практически только путем скольжения, то при ударном нагружении, как показали многочисленные исследования, возможна пластическая деформация путем двойникования. Склонность к деформации двойникованием в металлах с ОЦК решеткой увеличивается с понижением температуры деформации. Так, при температуре 4⁰К (-269⁰С) чистое железо деформируется двойникованием даже при статических испытаниях. Существенное влияние на механизм деформации могут оказывать примеси. Например, кремний, марганец облегчают двойникование железа, а примеси внедрения (кислород, азот, водород) при достижении определенной концентрации могут исключить процесс двойникования при медленном нагружении, однако этой концентрации может быть недостаточно для подавления двойникования при динамическом нагружении.

Измерение характеристик прочности (?_пу, ?_у, ?_т, ?_в) при динамических испытаниях затруднительно из-за большой скорости процессов деформации и разрушения (время испытания находится в пределах долей секунды). Для фиксации нагрузки и деформации в процессе испытаний необходимы малоинерционные высокочувствительные приборы. Для измерения нагрузок применяют пьезокварцевые динамометры, для измерения деформаций - фотоэлементы. Сигналы от них в процессе испытаний подаются на двухканальный электронный осциллограф, и в результате получается диаграмма (осциллограмма) испытаний в координатах усилие - деформация. Однако такое оборудование достаточно сложно, поэтому в настоящее время нагрузки и деформации при динамических испытаниях измеряются только в исследовательских работах.

Для массовых динамических испытаний практически применяется один метод - ударный изгиб призматических образцов с надрезом. Испытания проводят на маятниковых копрах. В результате таких испытаний определяется ударная вязкость (а_н), которая является характеристикой сопротивления материала воздействию динамических нагрузок. Ударная вязкость это отношение работы, затраченной на деформацию и разрушение образца при ударном изгибе (А_н) к площади поперечного сечения образца в месте надреза (F).

a_н =А_н/F

Таким образом размерность ударной вязкости кгс/см² (Дж/м²). Ударная вязкость - сложная механическая характеристика. Величина ее зависит и от пластичности и от прочности испытываемого материала. Чем выше пластичность и чем больше напряжения на всем протяжении испытаний, тем большая работа, которую необходимо затратить на пластическую деформацию и разрушение в процессе испытания, то есть тем больше ударная вязкость. Поэтому испытания на ударную вязкость обычно более чувствительны к изменению факторов, влияющих на прочность и пластичность (химический состав, дисперсность структуры, форма зерен и т.д.), чем статические испытания, при которых отдельно оцениваются характеристики прочности и пластичности.

Поскольку работа, затраченная при испытаниях на ударную вязкость, идет на пластическую деформацию какой-то части объема образца, правильнее было бы относить ее к этому объему, а не к площади поперечного сечения образца. Но измерение объема деформированной части образца затруднительно; кроме того работа, затраченная на пластическую деформацию распределена по этому объему неравномерно. Поэтому обычно работу, затраченную на пластическую деформацию и разрушение, относят к площади поперечного сечения образца, хотя строгого физического смысла это отношение не имеет.

Проведение испытаний на ударную вязкость может иметь различное назначение:

Оценка поведения металла при динамических нагрузках, если детали или изделия из этого металла подвергаются в процессе эксплуатации таким нагрузкам, потому что, как уже говорилось, механические свойства при

1. динамических нагрузках могут отличаться от тех, которые металл проявляет при статическом разрушении.

2. Контроль качества металла, поскольку динамические испытания более чувствительны к различным дефектам, возникающим в процессе производства и обработки (микротрещины, неметаллические включения, вредные примеси, неоднородность химического состава и структуры и т.д.)

3. Оценка склонности металла к хладноломкости, т.е. к переходу из вязкого состояния в хрупкое при понижении температуры. Это явление характерно для металлов с ОЦК и ГПУ решеткой. Статические испытания обычно не позволяют оценить склонность металла к переходу в хрупкое состояние и температуру этого перехода, т.к. при статических испытаниях образцы могут сохранять значительную пластичность при охлаждении до очень низких температур. Динамические испытания на изгиб образцов с надрезом являются наиболее жестким видом испытаний из всех стандартных испытаний механических свойств. Поэтому температура перехода в хрупкое состояние при динамических испытаниях выше, чем при статических, и поэтому она может быть определена при динамических испытаниях даже для таких материалов, которые при статических разрушаются вязко при самых низких температурах.

Кроме того, проведение испытаний на ударную вязкость при низких температурах значительно проще, чем проведение статических испытаний.

Все это обусловливает то, что испытания на ударную вязкость, несмотря на указанные выше недостатки этой характеристики, являются основным способом оценки склонности металлов к хладноломкости.

Для исследования склонности металла к хладноломкости и определения температуры перехода в хрупкое состояние проводят серию испытаний на ударную вязкость при пониженных температурах. Температура резкого уменьшения ударной вязкости называется порогом хладноломкости. Часто переход из вязкого состояния в хрупкое, сопровождающийся значительным уменьшением ударной вязкости происходит в интервале температур. В таких случаях говорят о верхнем и нижнем пороге хладноломкости, т.е. о температуре начала и конца этого перехода. Иногда в таких случаях за критерий склонности металла к хладноломкости принимают условный порог хладноломкости, т.е. температуру при которой ударная вязкость получается не ниже определенной величины. Например по нормам Международного института сварки за критическую температуру принимают температуру, соответствующую ударной вязкости 3,5 кгм/см²; в США за критическую принимают температуру, соответствующую ударной вязкости от 2,1 до 4,1 кгм/см² (в зависимости от ответственности конструкций, для изготовления которых предназначается исследуемый металл).

При переходе из вязкого состояния в хрупкое не только резко уменьшается ударная вязкость, но и меняется характер поверхности излома. Вязкий излом - матовый, волокнистый, со следами пластической деформации. Хрупкий излом имеет «кристаллический» характер без видимых следов пластической деформации. В связи с этим существует способ определения условного порога хладноломкости, как температуры, при которой на поверхности излома наблюдается определенная доля хрупкой составляющей излома (например 10, 50, 90%). Чем больше принят допуск на количество хрупкой составляющей на поверхности излома, тем ниже будет условный порог хладноломкости. При допуске 10% эта температура будет очевидно близка к верхнему порогу хладноломкости, а при допуске 90% - к нижнему.

Цель работы

1. Изучить устройство маятникового копра и его работу.

2. Изучить методику определения ударной вязкости.

3. Ознакомиться с методикой исследования склонности металлов к хладноломкости.

4. Исследовать влияние условий нагружения на механизм пластической деформации и характер разрушения малоуглеродистой стали.

5. Определить порог хладноломкости стали.

Оборудование и образцы для работы

Поскольку одной из основных целей динамических испытаний является выявление склонности металла к хрупкому разрушению, для динамических испытаний наиболее подходящими являются жесткие способы нагружения (растяжение, изгиб), при которых достаточно велики максимальные нормальные напряжения, обуславливающие разрушение путем отрыва. Мягкие способы нагружения (кручение, сжатие) для динамических испытаний применяются редко. Наибольшее распространение получили динамические испытания на изгиб, так как эти испытания достаточно просты, надежны, позволяют определять работу деформации и разрушения.

Для того чтобы сделать напряженное состояние более жестким для динамических испытаний на изгиб применяют образцы с надрезом (для испытаний хрупких материалов, например чугуна, могут применяться динамические испытания на ударную вязкость на образцах без надреза). Кроме того, применение образцов с надрезом значительно уменьшает энергию необходимую для их разрушения, что позволяет уменьшить размеры копра.



По ГОСТ 9454-60 (испытания на ударную вязкость) у нас в стране применяется несколько типов образцов (рис. 1). Основным считается тип I. Так как при испытаниях на ударную вязкость условие подобия не реализуется, нельзя пересчитывать и сравнивать результаты определения ударной вязкости на образцах разных размеров и разной формы. Желательно, чтобы образцы имели шлифованную поверхность, на них не должно быть трещин, заусенцев. Поверхность надреза не должна иметь рисунок, царапин и других дефектов, так как они могут, существенно исказить результаты испытаний, поскольку именно дно надреза обычно является местом начала образования трещины, развитие которой приводит к разрушению образца. Если нужно произвести испытания термически обработанных образцов, то надрез на них делается после термической обработки.

Рис. 2. Схема испытания на ударный изгиб

Для испытаний на ударную вязкость наибольшее распространение получили маятниковые копры. В данной работе испытания проводятся на маятниковом копре МК-30 (рис. 2). Максимальная энергия маятника 30 кгм.

Основной частью копра является массивный маятник, который может качаться на оси. В поднятом положении маятник обладает определенным запасом энергии (в зависимости от высоты подъема). При падении маятник, проходя через вертикальное положение ударяет по образцу и разрушает его, на что затрачивается часть энергии маятника. Оставшаяся часть энергии затрачивается на подъем маятника после удара. Скорость движения маятника в момент удара по образцу должна быть в пределах 4-7 м/сек, что соответствует скорости деформации стандартных образцов порядка 10² 1/сек. Зная высоту подъема маятника до и после удара и его вес, можно подсчитать работу, затраченную на разрушение образца. На копре МК-30 эта работа определяется автоматически.

Для этого к маятнику прикреплен поводок, который при подъеме маятника в исходное положение устанавливает подвижную рамку со шкалой в определенном положении в соответствии с высотой подъема маятника, т.е. с запасенной маятником энергией. После удара маятник, поднимаясь, тем же поводком перемещает вдоль шкалы стрелку до уровня, соответствующего высоте подъема маятника, т.е. его энергии после удара. Таким образом мы автоматически определяем разницу энергий маятника до и после удара, т.е. работу, затраченную на пластическую деформацию и разрушение образца. Для вычисления ударной вязкости нужно затраченную при испытании работу разделить на площадь поперечного сечения образца.

Методика проведения работы

Прежде, чем приступить к испытаниям образцов на копре, нужно проверить правильность его работы. Для этого поднимают и фиксируют на какой-то высоте маятник копра. При этом рамка со шкалой устанавливается в определенном положении, соответствующем запасенной энергии маятника. После этого маятник отпускают, не устанавливая образец на опоры копра, и он должен подняться на ту же высоту с которой его отпустили и, если копер работает нормально, поводок маятника поднимет стрелку прибора до нулевого деления шкалы, так как энергия маятника ни на что не расходуется (если пренебречь потерями энергии на трение в опорах оси маятника, на сопротивление воздуха и другими потери, которые очень малы). Если при такой проверке стрелка остановится не на уровне нулевого деления шкалы, необходимо выяснить причины этого и устранить их.

Перед испытаниями нужно замерить штангенциркулем с точностью до 0,1 мм ширину и толщину образцов в месте надреза, так как при их изготовлении возможны отклонения от стандартных размеров. Результаты замеров занести в таблицу или протокол испытаний.

После этого можно приступать к испытаниям. Для испытания образца нужно взвести маятник, проверить положение шкалы и установить образец на опоры копра. Образец устанавливается так, чтобы надрез был расположен посередине расстояния между опорами (расстояние между опорами копра 40 мм) и маятник ударял по грани образца, противоположной той, на которой сделан надрез. При проверке установки шкалы и установке образца на опорах маятник обязательно должен быть закреплен фиксатором во избежание случайного его падения. При работе на копре необходимо пользоваться ограждением, так как обломки образца после разрушения могут разлетаться в разные стороны с большой скоростью. После разрушения образца нужно записать работу разрушения и собрать обломки образца для исследования микроструктуры и характера излома.

Для определения ударной вязкости при низких температурах образцы перед испытанием нужно охладить. Охлаждение производится в ванне с ацетоном, бензином, спиртом или другой жидкостью с низкой температурой затвердевания. Ванна изготавливается из материала с низкой теплопроводностью (например, из пенопласта). Для охлаждения ванны и поддержания в ней нужной температуры применяется жидкий азот. Температура кипения азота -196⁰С. При заливке жидкого азота в ванну он кипит, испаряется и охлаждает при этом ванну с жидкостью и помещенными в нее образцами. Температура ванны замеряется пентанным термометром. Для выравнивания температуры по всему объему образцов, они должны находиться в ванне не менее 15 минут. Температура образцов в ванне должна быть на 3-5⁰С ниже температуры испытания. Тогда за время переноса образца из ванны на опоры копра он нагреется не выше требуемой температуры. Время с момента извлечения образца из ванны до момента его разрушения не должно превышать 5 секунд.

Рис. 3

Испытания проводятся при температурах 20; -20; -60; -100 и 196⁰С. После этого в интервале температур, где получилось резкое падение ударной вязкости, для более точного определения порога хладноломкости проводятся испытания ещё при одной - двух температурах. При каждой температуре испытывается по 3 образца.

После испытания отбирается по одному обломку от образцов, разрушенных при различных температурах, для исследования и фотографирования поверхности излома. Фотографирование производится при увеличении 3-5 раз. Ещё по одному обломку образцов, испытанных при разных температурах, берется для исследования микроструктуры с целью определения температур, при которых имела место деформация двойникованием. При этом нужно исследовать микроструктуру в том месте, где была максимальная деформация (рис. 3).

Обработка данных и составление отчета

По замеренным значениям размеров поперечного сечения образцов и работы, затраченной на их разрушение, определяется ударная вязкость для каждого образца. Подсчитывается среднее значение ударной вязкости для каждой температуры испытания по результатам испытаний трех образцов. Все данные заносятся в таблицу.

По полученным результатам строится кривая зависимости ударной вязкости от температуры испытаний. По построенной кривой определяются значения верхнего и нижнего порогов хладноломкости, а также температура, при которой ударная вязкость равна 3 кгм/см². Эти результаты сопоставляются с результатами изучения характера изломов и микроструктуры.

№	T0C	F, см2	Ан, кгм	aн, кгм/см2	aн ср. кгм/см2	Ориентировочная доля вязкой составляющей в изломе, %	Наличие двойников в микроструктуре в зоне разрушения
1
2	20					100
3
1
2	-20					90
3
1
2	-196					0
3

В письменном отчете по работе должно быть:

1. Цель работы.

2. Общие положения (динамические испытания и их назначение, понятие об ударной вязкости, достоинства и недостатки этой характеристики, понятие о хладноломкости и т.д.

3. Краткое описание и схема маятникового копра и образцов для испытаний.

4. Описание порядка выполнения работы.

5. Полученные результаты определения ударной вязкости при различных температурах в виде таблиц и графика.

6. Определенное значение порога хладноломкости для исследованной стали.

7. Описание и фотографии характера излома и микроструктуры образцов после разрушения.

8. Выводы.



Лабораторная работа №4

Микроструктура углеродистых сталей

Цель работы

Изучение микроструктуры отожженных углеродистых сталей.

Материалы и оборудование для выполнения работы

1. Металлографические микроскопы.

2. Коллекция шлифов сталей.

3. Альбом фотографий микроструктур углеродистых сталей.

4. Тренажер «Диаграмма Fe - Fe₃C».

Порядок выполнения работы

1. Изучить содержание основных положений работы.

2. Разобраться с помощью тренажера со стальной частью диаграммы Fe - Fe₃C.

3. Получить навыки определения под микроскопом элементов структуры стали: феррита, цементита, перлита, для чего:

а) рассмотреть фотографии микроструктур в альбоме;

б) рассмотреть под микроскопом подобранные шлифы для изучения структурных составляющих и зарисовать схемы рассмотренных структур.

4. Изучить микроструктуру трех-четырех образцов, относящихся к различным классам стали (доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные), определить к какому из названных классов относится каждый образец. Зарисовать схему микроструктуры рассмотренных образцов и обозначить на рисунках структурные составляющие.

5. В образце доэвтектоидной стали определить содержание углерода в%.

Основные положения

На диаграмме состояния железо-углерод (рис. 1) сплавы, относящиеся к сталям, расположены в интервале концентраций углерода до 2,14%, т.е. левее точки Е. При температурах ниже 727 ?С все отожженные углеродистые стали состоят из двух фаз ? феррита и цементита. Феррит ? это твердый раствор углерода в железе с объемно-центрированной кубической решеткой (Fe_?). Максимальная растворимость углерода в Fe_? составляет около 0,02% (точка Р). Цементит ? это карбид железа Fe₃C, содержащий 6,67% С.

При температурах выше линии GSE равновесной фазой является аустенит - твердый раствор углерода в железе с гранецентрированной кубической решеткой (Fe_?). Предельная растворимость углерода в Fe_? ? 2,14% (точка Е).

В результате фазовых превращений в твердом состоянии при малых скоростях охлаждения в стали образуются следующие структуры: перлит, избыточный феррит, вторичный цементит и третичный цементит.

Рис. 1. Диаграмма Fe - Fe₃C

На линии GS из аустенита начинает выделяться избыточный феррит, а на линии SE - вторичный цементит. На линии РQ из феррита выделяется третичный цементит. Во всех сплавах правее точки Р при небольшом переохлаждении до температур ниже 727 °С аустенит эвтектоидного состава (0,8% С) распадается на эвтектоидную смесь феррита и цементита, называемую перлитом, причем цементит может быть в виде пластинок или зерен (Приложение, рис. 4).

Сталь, содержащую 0,8% С, называют эвтектоидной. Стали, содержащие менее 0,8% С называют доэвтектоидными, а более 0,8% С ? заэвтектоидными.

Металлографический анализ металлов и сплавов заключается в исследовании структуры материалов при больших увеличениях с помощью микроскопа, а наблюдаемая структура называется микроструктурой. Изучение под микроскопом структуры металлов возможно лишь при достаточно интенсивном отражении световых лучей от исследуемой поверхности. Поэтому поверхность образца должна быть специально подготовлена. Образец, поверхность которого подготовлена для металлографического анализа, называется микрошлифом. Для изготовления микрошлифа необходимо вырезать образец из исследуемого металла, получить на нем плоскую, блестящую поверхность, а затем шлиф травят. Существует несколько методов травления, из которых наиболее распространен метод избирательного растворения фаз. Метод основан на различии физико-химических свойств отдельных фаз и пограничных участков зерен. В результате различной интенсивности растворения создается рельеф поверхности шлифа. Для травления микрошлиф погружают полированной поверхностью в раствор избранного состава и через некоторое время вынимают. Если полированная поверхность станет слегка матовой, травление считается законченным, шлиф сразу же промывают водой, затем спиртом и высушивают фильтровальной бумагой.

Микрошлифы сталей травят 3-4% раствором НNO₃ в спирте, после чего структурно свободные феррит и цементит по сравнению с темным (коричневатым) перлитом выглядят белыми.

При охлаждении доэвтектоидной стали из аустенита вначале выделяется феррит. Размер ферритных зерен в значительной степени зависит от скорости охлаждения аустенита. При рассмотрении в микроскоп феррит наблюдается в виде светлых зерен неодинаковой яркости (Приложение, рис. 1). По мере увеличения концентрации углерода в доэвтектоидной стали количество зерен феррита убывает (Приложение, рис. 2), а количество перлита увеличивается.

В сплавах, содержащих 0,5-0,75% C зерна феррита располагаются по границам зерен другой структурной составляющей ? перлита ? в виде разорванной сетки (Приложение, рис. 3).

В доэвтектоидной стали перлит в большинстве случаев имеет пластинчатое строение. Темные пластинки, видимые в перлите, представляют собой тени, отбрасываемые на участки феррита выступающими после травления участками цементита. Форма выделения перлита в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях определяется условиями выполнения отжига. Форма и размер частиц цементита в перлите существенно влияют на свойства стали. Так, например, зернистый перлит более пластичен и имеет меньшую твердость, чем пластинчатый. Твердость зернистого перлита 160-220 НВ, а пластинчатого - 200-250 НВ. С уменьшением размера цементитных частиц твердость и прочность перлита возрастает. Форма цементитных частиц влияет на обрабатываемость стали резанием. Доэвтектоидные стали хорошо обрабатываются резанием, если имеют структуру пластинчатого перлита, а эвтектоидные и заэвтектоидные - зернистого.

В заэвтектоидных сталях возможно выделение вторичного цементита в виде сетки по границам зерен перлита (Приложение, рис. 5). Это происходит в результате окончания горячей обработки при излишне высокой температуре и является значительным дефектом заэвтектоидной стали, ухудшает ее прочность и вязкость. Еще одной, но более редко встречающейся формой выделения цементита, также сильно ухудшающей механические свойства, является образование его в виде игл (вследствие значительного перегрева).

Итак, можно выделить четыре типа структур сталей.

Первый тип структуры - феррит и третичный цементит - наблюдается в низкоуглеродистых сталях, содержащих до 0,02% С (т. Р). Такие стали называются техническим железом.

Второй тип структуры - феррит и перлит - наблюдается в доэвтектоидных сталях, содержащих от 0,02 до 0,8% С (т. S). Чем больше в доэвтектоидной стали углерода, тем больше в ней перлита.

Третий тип структуры - перлит - наблюдается в эвтектоидной стали, содержащей 0,8% С.

Четвертый тип структуры - вторичный цементит и перлит - наблюдается в заэвтектоидной стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14% (т. Е).

Отличие доэвтектоидных сталей от заэвтектоидных по микроструктуре

В доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях имеется одна общая для обоих типов структур составляющая ? перлит. Отличить при микроанализе до- и заэвтектоидные стали друг от друга можно только по избыточным выделениям: если в структуре находится избыточный феррит, то сталь доэвтектоидная, а если вторичный цементит, то сталь заэвтектоидная.

Имеются три металлографических способа отличить доэвтектоидные стали от заэвтектоидных.

а) При травлении раствором азотной кислоты избыточные феррит и цементит имеют светлый оттенок. Относительное весовое количество избыточного феррита в доэвтектоидных сталях может изменяться от 100% (сталь состава точки Р) до 0% (сталь состава точки S). В то же время количество вторичного цементита в заэвтектоидных сталях может изменяться в узких пределах - от 0% (сталь состава точки S) до 20% (сталь состава точки Е).

Таким образом, если в отожженной стали, наряду с темным перлитом, обнаруживается светлая составляющая, занимающая более 20% всей площади поля шлифа, видимого в микроскоп, то эта составляющая является избыточным ферритом, и сталь, следовательно, доэвтектоидная.

б) Если относительное количество светлой составляющей меньше 20%, или если при микроанализе трудно произвести количественную оценку, то эта светлая составляющая может оказаться как избыточным ферритом, так и вторичным цементитом. В этом случае следует использовать индикаторный травитель - горячий щелочной раствор пикрата натрия, который окрашивает цементит в темно-коричневый цвет, оставляя феррит светлым.

в) Если избыточная фаза занимает менее 20% площади шлифа, протравленного азотной кислотой, то при наличии некоторого опыта можно отличить вторичный цементит от избыточного феррита по форме и оттенку выделений.

Сетка избыточного феррита после отжига составлена из отдельных зерен, в то время как вторичный цементит на шлифе выявляется в виде почти непрерывной сетки. Сетка вторичного цементита выступает над перлитом в виде рельефа, так как твердый цементит после полировки слегка возвышается над более мягким и сильнее сполировывающимся перлитом. Вторичный цементит может выделяться из аустенита также в виде изолированных игл, как по границам, так и внутри колоний перлита. Наконец, цементит выглядит под микроскопом более светлым по сравнению с ферритом.

Металлографическое определение углерода в отожженных сталях

Если углеродистая сталь хорошо отожжена, т.е. приведена в равновесное состояние, то микроструктурным анализом можно определить содержание в ней углерода.

Такие определения фактически выполняют только для доэвтектоидных сталей, так как в заэвтектоидных сталях значительное изменение в содержании углерода мало и почти незаметно изменяет микроструктуру.

Углерод в доэвтектоидной стали распределен между избыточным ферритом и перлитом. В феррите содержатся тысячные доли процента углерода, которыми можно пренебречь и считать, что практически весь углерод в доэвтектоидной стали находится в перлите. В перлите содержится 0,8% С. В доэвтектоидной стали на перлит приходится только часть сплава, и содержание углерода в весовых процентах пропорционально площади шлифа, занимаемой перлитом. Эта пропорция вытекает из примерного равенства удельных весов феррита и перлита; в противном случае по микроструктуре можно было бы судить только об объемном соотношении.

Содержание углерода в доэвтектоидной стали:

% С = 0,8ЧF_П / 100,

где F_П - площадь, занятая перлитом (в%) в поле зрения микроскопа.

F_П чаще всего оценивают на глаз. Такой метод может показаться слишком грубым; в действительности же он дает хорошие результаты. Если абсолютная ошибка в оценке площади, занимаемой перлитом, составляет 10%, то абсолютная ошибка в определении содержания углерода составляет всего 0,08%.

Содержание отчета

Отчет должен включать следующие разделы:

1. Цель работы.

2. Основные положения по теме работы (кратко).

3. Описание отдельных стадий выполнения работы с указанием используемого оборудования, с необходимыми пояснениями, цифровыми данными, зарисовками микроструктур и их описаниями.

4. Анализ полученных результатов, выводы.



Приложение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольные вопросы

1. Какое содержание углерода в эвтектоидной стали?

2. Какую кристаллическую решетку имеют a- и g-железо?

3. Что такое аустенит, феррит, перлит, цементит?

4. Укажите название областей на стальной части диаграммы.

5. Какие процессы протекают в стали при ее охлаждении в области 727 °С?

6. Какое максимальное содержание углерода в аустените?

7. Какое максимальное содержание углерода в феррите?

8. Как влияет содержание углерода на свойства стали?



Лабораторная работа №5

Структура, свойства и применение чугунов

Цель работы

1. Изучить основные разновидности чугунов, их строение, свойства и маркировку.

2. Познакомиться с основами выбора марки чугуна для изготовления деталей машин, изделий.

Оборудование и материалы для выполнения работы

1. Металлографические шлифы чугунов.

2. Металлографические микроскопы ММУ-3, МИМ-7 и т.п.

Порядок выполнения работы

1. Прочитайте внимательно основные сведения по теме работы и разберитесь с классификацией чугунов, их строением, свойствами, областью применения каждой группы материалов.

2. Изучите чугунную часть диаграммы железо-углерод.

3. Изучите под микроскопом металлографические шлифы чугунов и зарисуйте их структуры. На рисунках обозначьте все структурные составляющие и определите, к какой группе относится каждый из изучаемых образцов чугуна.

4. Выполните 1-2 задания, данные преподавателем, по выбору материала для изготовления изделий.

Основные положения

Чугун - это железоуглеродистый сплав с содержанием углерода от 2,14 до 6%. Кроме этих элементов, в чугуне содержится еще ряд примесей (кремний, марганец, сера, фосфор и др.). С целью улучшения свойств в чугуны могут вводиться легирующие элементы, такие как хром, никель, медь и др.

Чугун, по сравнению со сталью, имеет как преимущества, так и недостатки. Положительными свойствами этого материала являются: хорошие литейные свойства (более низкая, чем у стали, температура плавления, меньшая усадка, хорошая жидкотекучесть), хорошая обрабатываемость резанием (кроме одной разновидности - белого чугуна), достаточно высокая работоспособность в условиях трения, способность гасить вибрации, небольшая стоимость.

Недостатком чугуна являются его низкие пластические свойства и ударная вязкость, что препятствует использованию чугуна для изготовления деталей, работающих при значительных динамических, ударных нагрузках, и делает невозможным в большинстве случаев использование обработки давлением (ковки, штамповки, прокатки и т.д.) для изготовления чугунных изделий.

По структуре различают чугуны, в которых углерод находится в виде химического соединения с железом Fe₃С - цементита, и чугуны, в которых углерод, в основном, находится в свободном состоянии, в виде графита.

Первая разновидность называется белым чугуном. Структура белых чугунов описывается чугунной частью диаграммы железо-углерод (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма железо-углерод:

Ж - жидкий раствор; А - аустенит (твердый раствор углерода в g-Fe); Ц - цементит (Fe₃С); Ф - феррит (твердый раствор углерода в a-Fe); П - перлит (эвтектоидная смесь феррита и цементита); Л - ледебурит (эвтектическая смесь аустенита и цементита, ниже линии PSK - смесь перлита и цементита)

...