При применении этого способа важно, чтобы на поверхности исследуемого материала не было трещин, окалин, выбоин и прочих повреждений, которые могут повлиять на правильность результата. Следует следить за перпендикулярностью нагрузки, а также устойчивостью металла на рабочей поверхности.

Динамическое вдавливание.

Бывают случаи, когда необходимо проверить показатели металла, который используется в конструкции, а переносимого образца под рукой нет. Стационарные установки для этого не подходят, поэтому предыдущие методы отходят на второй план. На помощь приходит мобильный прибор, который изготовлен на основе государственного образца.

Он представляет собой специальный молоточек и инструмент с шариком на конце. При ударе по прибору он оставляет следы на исследуемом материале. Также, следует провести аналогичные действия на эталонном образце, твердость которого уже известна.

Далее проводится сравнение отпечатков, их глубины и площади, после чего выносится результат исследования. Однако специалисты рекомендуют проверять твердость металла перед тем, как использовать его в каких-либо конструкциях важного назначения.

Принцип упругой отдачи.

Помимо проблем со стационарностью оборудования, возникают ситуации, когда необходимо проверить показатели металла без нанесения ему повреждений. Для этого применяется принцип упругой отдачи, с помощью которого измеряют твердость без вдавливания и других механических воздействий.

На специальном приборе закрепляется шарик фиксированного веса на постоянной высоте. Далее он падает с нее на металл и отскакивает. Высота отскока прямо говорит о твердости. Чем больше отскок, не больше твердость металла. Производительность этого принципа является очень высокой, поэтому можно проводить около 100 измерений за один час.

Однако рекомендуется применять метод только для сравнения твердости изделий из одного материала (металла), ведь показатели упругости также могут влиять на результат исследования и должны быть одинаковыми.

Косвенные методы.

Измерение показателя с помощью косвенных методов производится с помощью двух видов измерения - динамический и ультразвуковой. Они не исследуют твердость напрямую, а лишь сравнивают показатели металла и другие физические свойства.

Измерение твердости с применением ультразвука заключается в уровне изменения частоты колебаний металла с установленным на краю индентором. Чем больше глубина проникновения, тем мягче металл. Соответственно, чем больше площадь контакта, тем выше уровень затухания частоты. Принцип не имеет каких-либо ограничений по размерам и массе исследуемых металлов, поэтому широко используется на производствах.

Динамический способ исследует зависимость скорости отскока индентора от поверхности металла. Он похож на один из классических способов, но, помимо высоты отскока, измеряется его скорость и глубина отпечатка после ударения.

Преимущества метода заключаются в том, что он менее требователен к состоянию поверхности металла, а также позволяет увеличить количество исследований за определенное количество времени. Именно поэтому он часто используется во многих сферах производства.

Порядок выполнения работы.

1. Изобразить схему испытания на приборе Бринелля и схему измерения диаметра отпечатка.

2. Используя данные из задания, внести результаты испытаний, приведенные для вашего варианта, в таблицу «Результаты измерений и расчетов».

№ варианта	Диаметр шарика D, мм	Нагрузка P, Н (кгс)	Измерения диаметра отпечатка d, мм	Среднее значение диаметра отпечатка d, мм	Число твердости НВ

3. Произвести расчет твердости по формуле:

а) б)

Рисунок 19 - Схема испытания на приборе Бринелля(а) и схема измерения диаметра отпечатка(б)

Контрольные вопросы.

Твердость металла, с чем она связана?

Перечислить методы испытания для определения твердости.

Отличия испытаний по Бринелю и Роквеллу?

Содержание отчета.

1. Цель работы

2. Определение твердости стальным шариком (по Бринелю) со схемой испытаний

3. Ответы на контрольные вопросы

Практическая работа № 2

Расчет конструктивной прочности металлов.

Цель работы:

Получить представления о методике расчета конструктивной прочности материала по результатам испытаний.

Деформация - изменение положения точек твердого материала, при котором меняется расстояние между ними.

Диаграмма деформации - графическая характеристика механических свойств материала, построенная на основании результатов испытаний в координатах.

Модуль Юнга (упругости) Е - отношение величин приложенного напряжения к вызванной им относительной деформации (только в области упругих деформаций).

Напряжение - мера интенсивности внутренних сил.

Предел пропорциональности (упругости) - величина напряжения, при котором отступление от линейной зависимости на диаграмме деформации достигает такой величины, что тангенс угла наклона уменьшается на 50% от величины своего значения на линейном участке.

Предел прочности - величина напряжения, соответствующего наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, так как соотношение между напряжением и деформацией зависит от скорости испытания.

Предел текучести (условный) - величина напряжения, при котором значение остаточного' относительного удлинения достигает 0,2%.

Выбор конструкционных материалов для изготовления соответствующих изделий (деталей машин, приборов и конструкций, а также инструментов) определяется в первую очередь совокупностью их механических свойств, называемой конструктивной прочностью.

Различают два вида оценки конструктивной прочности:

* прочностные свойства, определяемые независимо от особенностей изготавливаемых из них изделий и условий их службы;

* свойства материалов, непосредственно связанные с условиями службы изделий и определяющие их долговечность и надежность (усталостная прочность, контактная выносливость, износостойкость, коррозионная стойкость и др.).

Первый вид оценки проводится для определения базовых прочностных свойств конструкционных материалов, и эти базовые свойства обязательно включаются в стандарты технических условий, поставки, паспорта приемочных испытаний и т.д.

Базовые прочностные свойства определяются испытаниями в разных условиях нагружения: растяжения, сжатия, кручения, изгиба. Каждое из указанных испытаний не определяет всех механических свойств материала и его поведение в готовых изделиях, а лишь обнаруживает те его свойства, которые характерны в данном напряженном состоянии. Однако механические испытания образцов стандартных размеров и формы в условиях одинакового напряженного состояния дают основные исходные данные, позволяющие сравнивать и оценивать свойства различных материалов. Из всех способов механических испытаний наибольшее распространение имеют испытания на растяжение.

Проведение испытаний на растяжение металлов.

Для проведения испытаний на растяжение образец закрепляют в захватах испытательной машины (рис.20) и растягивают до разрыва, измеряя нагрузку и удлинение образца. Поэтому машины, предназначенные для испытаний на растяжение, устроены так, что расстояние от одного захвата образца до другого можно увеличивать, причем один из них непосредственно связан с динамометром, а другой - с движущейся траверсой. Для создания нагрузки применяют системы с механическим и гидравлическим приводами.

Рисунок 20 Устройство испытательной машины на растяжение:

1 - траверса; 2 - шпиндель; 3 - захваты; 4 - станция; 5 - силоизмерительное устройство; 6 - приводной механизм шпинделя; 7 - вращающаяся гайка для передвижения траверсы; l₀ - начальная длина растягиваемого образца

Движение осуществляется по отношению к станине, воспринимающей действующие нагрузки. В возникающую при этом силовую цепь включают электронный силоизмеритель. Удлинение измеряют или по движению траверсы, или с помощью соответствующего прибора прямо на образце.

Для гарантии воспроизводимости получаемых характеристик испытание на растяжение следует проводить с постоянной скоростью, так как соотношение между напряжением и деформацией зависит от скорости испытания.

При растяжении образца на испытательных машинах фиксируются зависимости между приложенной нагрузкой и абсолютным удлинением образца, графическое представление которых называется диаграммой растяжения. Так как и нагрузка, и абсолютное удлинение зависят от формы и размеров, соответствующих образцов, то количественное сравнение различных материалов в этих координатах невозможно.

Анализ диаграммы деформации.

Если нагрузку Р отнести к исходному поперечному сечению образца S₀, а удлинение Дl - к начальной расчетной длине l₀, то получим диаграмму «напряжение - относительное удлинение ». При этом нормальное напряжение, Па,

= F/ S₀, (6)

е = Дl/l _о (7)

Рисунок 21 Диаграммы деформаций напряжение - относительное удлинённое для различных материалов:

1 - строительные стали (а - условная кривая; б - истинная кривая); 2 - чугун с пластинчатым графитом; 3 - алюминиевые сплавы; 4 - полиэтилена относительное удлинение, доли ед.

Для сравнения характеристик прочности и пластичности конструкционных материалов используют диаграммы «напряжение - относительное удлинение», называемые диаграммами деформации, при этом под деформацией понимают относительные удлинение или сужение.

При пересчете измеренных нагрузок и удлинений по формулам (6) и (7) не учитывают, что по мере растяжения поперечное сечение образца постоянно уменьшается. Так как в результате этого при больших деформациях имеются значительные отклонения от рассчитанных по формулам (6) и (7) напряжений и удлинений, действительно существующих в образце, то для этого случая используют термин «диаграмма условных напряжений - деформаций». Если же в каждый момент испытания действующую силу отнести к наименьшему, т.е. наиболее деформированному, поперечному сечению, то получим истинное напряжение (рисунок 21, кривая 16).

Диаграммы истинных напряжений дают представление о физических процессах, протекающих в материале, и имеют особое значение для прочностных расчетов и технологии обработки материалов давлением.

Прямолинейные начальные участки диаграмм деформации (рис.22) характеризуют область упругих деформаций, в которой при условии квазиизотропности материалов справедлив закон Гука:

= Е·е, (8)

где Е - модуль Юнга, Па.

Рисунок 22 Характеристики, определяемые по диаграммам «условное напряжение - относительное удлинение»: а - с четко выраженной площадкой текучести; 6 - без площадки текучести (1 - прямая Гука)

В пластичных материалах при напряжениях выше определенного значения происходит постепенный или резкий переход в область пластических деформаций. Дальнейшее повышение напряжения для металлических материалов приводит к упрочнению в результате пластической деформации, а для пластмасс - ориентировке макромолекул, возникающей как следствие их вытягивания. Конечная точка диаграммы деформации соответствует разрушению образца.

Комплекс свойств, получаемых при испытаниях образцов на растяжение.

При испытаниях на растяжение получают следующие характеристики материалов:

* предел пропорциональности _пц;

* предел текучести (условный) _0,2;

* предел прочности _в;

* удельная работа деформации образца W_s.

Число характеристик материалов, получаемых в реальности, при испытании на растяжение, значительно больше. В практической же рассмотрена только часть из них.

Важная прочностная характеристика - предел пропорциональности. Предел пропорциональности (упругости) является максимальным напряжением, при котором после разгрузки образца остаточное изменение формы ещё не возникает. Абсолютно точно определить это значение невозможно. Установлены стандартные способы его нахождения экспериментальным и графическим путями. При экспериментальном определении устанавливают условные пределы упругости при допусках остаточной деформации 0,005 и 0,01% по специальным методикам. При графическом определении необходимо установить значение напряжения, при котором уменьшается на 50% своего максимального значения на линейном упругом участке. Для этой операции следует рассчитать и проследить за его изменением величину

(9)

Вторая важная характеристика - предел текучести. За пределом пропорциональности (упругости) в материалах начинается пластическая деформация, поэтому кривые «напряжение - деформация» отклоняются от прямой, т.е. увеличение напряжения отстает от роста деформации. Соответствующее напряжение называют пределом текучести.

Если во время испытания наблюдается падение нагрузки, различают, соответственно, верхний _тв и нижний _тн пределы текучести. Внезапное падение нагрузки на площадке текучести объясняют особенностями кинетики движения и размножения дислокаций в поликристаллических материалах.

Для материалов без четко выраженного предела текучести определяют условный предел текучести ₀₂, который соответствует остаточной деформации 0,2%.

Определение предела текучести требуется при выборе коэффициентов запаса, используемых в расчетах или эмпирических зависимостях. Для предотвращения выхода из строя конструкционных материалов вследствие пластической деформации или разрушения необходимо, чтобы действующие в конструкции напряжения были ниже предела текучести.

Следующая характеристика - предел прочности. Когда способность материала к деформации исчерпана, наступает разрушение, которое может происходить в зависимости от характера материала или в области поднимающейся части диаграммы «напряжение - деформация», или после превышения максимальной нагрузки F_max. Самые высокие нагрузки, определенные в обоих случаях и отнесенные к начальному поперечному сечению S₀, называют пределом прочности _в, или временным сопротивлением разрушению.

Предел прочности на диаграмме деформации соответствует точке, в которой касательная параллельна оси абсцисс. Это условие позволяет графически найти величину предела прочности.

Удельная работа деформации образца до разрушения. Удельная работа деформации образца до разрушения W_s, Н * мм/мм², может быть определена путем планиметрирования площади, ограниченной кривой «напряжение - деформация»:

(10)

Удельная работа деформации при испытании до разрушения, наряду с характеристиками пластичности (относительное удлинение, относительное сужение), используется в качестве показателя, определяющего в какой-то мере вероятность хрупкого разрушения, а также для оценки обрабатываемости материалов. Показатель W_s имеет большое значение для определения геометрических размеров пружин.

Порядок выполнения работы.

1. Получить у преподавателя вариант задания для выполнения практической работы.

Образец протокола испытаний

Номер испытания	Величина	Приращение	tg вi
	Нагрузки F,кгс	Удлинения l, мм	Нагрузки Fi,кгс	Удлинения (li), мм

Далее следует рассчитать значения ДF_i , Д(Дl_i) tgB_i по формуле (9).

3. Построить на миллиметровой бумаге диаграмму растяжения анализируемого материала в координатах «нагрузка F - абсолютное удлинение Дl». Путем замены координатных осей превратить диаграмму растяжения в диаграмму деформации:

у = f(е).



4. Определить предел пропорциональности у_пц по значению tgB_i , в Протоколе испытаний.

5. Определить графически по диаграмме деформации в зависимости от ее вида пределы текучести у_т, у_тв и у_тн или условный предел текучести у_0,2.

6. Определить предел прочности у_в по диаграмме деформации, используя графический метод.

7. Рассчитать планиметрированием площадь под кривой на диаграмме деформации и, установив масштаб, определить величину удельной работы деформации при испытании на растяжение W_s

8. Оформить в тетради, данные по конструктивной прочности анализируемого материала, приведя значения:

* предела пропорциональности у_пц;

* пределов текучести у_т, у_тв и у_тн или условного предела текучести у_0,2 в зависимости от вида диаграммы деформации;

* предела прочности у_в;

* удельной работы деформации при испытании на растяжение.

Практическая работа №3

Построение кривых охлаждения.

Цели работы: Научиться строить кривую охлаждения железоуглеродистого сплава с определенным содержанием углерода по диаграмме состояния сплавов; пояснять структурные превращения для заданного сплава в критических точках кривой охлаждения.

Для определения температурных интервалов, видов термической обработки, температуры плавления и заливки сплава в литейные формы пользуются специальными диаграммами состояния сплавов. Диаграмма состояния сплавов - графическое изображение фазового состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов.

Для построения диаграмм состояния сплавов используют множество кривых охлаждения сплавов с различными концентрациями компонентов в зависимости от температуры и времени охлаждения. Однотипные критические точки (например, соответствующие температурам плавления сплавов) кривых охлаждения соединяют линией. Замкнутая область на диаграмме состояния, ограниченная линиями, имеет однотипную структуру.

Рисунок 23. Диаграмма состояния сплавов Fe - Fe₃C

Компоненты и фазы в углеродистых сталях в равновесном состоянии

К углеродистым сталям относятся сплавы железа с углеродом с массовой долей углерода от 0,02 до 2,14 %. Основными компонентами углеродистых сталей являются железо и углерод.

Железо является полиморфным металлом, имеющим разные кристаллические решетки в различных температурных интервалах. При температурах ниже 910°С, железо существует в б - модификации, кристаллическое строение которой представляет собой объёмно-центрированную кубическую решетку. Эта аллотропическая модификация железа называется б -железом. В интервале температур от 910 °С до 1392 °С существует г -железо с гранецентрированной кубической решеткой.

Углерод является неметаллическим элементом, обладающим полиморфизмом. В природе встречается в виде графита и алмаза. В углеродистых сталях эти компоненты взаимодействуют, образуя, и зависимости от их количественного соотношения и температуры, разные фазы, представляющие собой однородные части сплава. Это взаимодействие заключается том, что углерод может растворяться как в жидком (расплавленном) железе, так и в различных его модификациях в твердом состоянии. Кроме того, он может образовывать с железом химическое соединение. Таким образом, в углеродистых сталях различают следующие фазы: жидкий сплав (Ж), твердые растворы - феррит (Ф) и аустенит (А) и химическое соединение цементит (Ц).

Феррит - твердый раствор внедрения углерода в б - железе. Имеет объемно-центрированную кубическую решетку и содержит при нормальной температуре менее 0,006 % углерода. У феррита низкие твердость и прочность, высокие пластичность и ударная вязкость.

Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в г - железе, при нормальной температуре в углеродистых сталях в равновесном состоянии не существует.

Цементит - химическое соединение железа с углеродом, карбид железа Fе3C. Он обладает сложной кристаллической решеткой, содержит 6,67 % углерода. Для цементита характерна высокая твердость и очень низкая пластичность.

Согласно фазовой диаграмме «железо - цементит» углеродистые стали при нормальной температуре состоят из двух фаз: феррита и цементита. Одному массовому проценту углерода соответствует 15 атомных процентов цементита. Исходя из этого, массовая доля цементитной фазы находится умножением массовой доли углерода, содержащегося в стали, на 15. Поскольку в феррите содержится очень малая доля процента углерода, то практически весь углерод, имеющийся в стали, входит в состав цементита. Поэтому увеличение массовой доли углерода в стали ведет к увеличению массовой доли цементитной фазы, что приводит к повышению твердости и прочности, понижению пластичности и ударной вязкости.

Фазы в углеродистых сталях определенным образом располагаются в их объемах, образуя в зависимости от массовой доли углерода, ту или иную структуру. Равновесные структуры углеродистых сталей указываются на структурной диаграмме «железо - цементит».

Влияние концентрации углерода на структуру и механические свойства стали.

По сопоставлению с эвтектоидным составом углеродистые стали подразделяются на: доэвтектоидные, эвтектоидную и заэвтектоидные. Эвтектоидная сталь содержит 0,8 % С и имеет перлитную структуру- эвтектоидная смесь феррита и цементита. Перлит любой углеродистой стали содержит 0,8 % С. Строение перлита таково, что дисперсные частицы цементита равномерно расположены в ферритной основе. В литой, горячекатаной и кованой стали присутствует пластинчатый перлит, состоящий из пластинок феррита и цементита. В отожженной стали присутствует зернистый перлит, где цементит находится в форме зернышек. На рисунок 7б схематически изображено пластинчатое строение перлита, в котором темные полосы представляют тени на светлом фоне феррита от выступающих после травления шлифа цементитных частиц. При микроскопическом исследовании для случая большой степени дисперсности цементитных частиц или малых увеличений микроскопа двухфазное строение перлита может не выявляться. В таких случаях перлит выявляется и виде сплошного темного фона.

Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 до 0,8 % С и имеют ферритно-перлитную структуру (рис. 3.2а). Здесь светлые зерна - это феррит, а темные участки представляют собой перлит, являющийся двухфазной структурной составляющей, состоящей из пластинок феррита и цементита.



Рис. 24 Микроструктура углеродистых сталей:

а) доэвтектоидной; б) эвтектоидной; в) эаэвтектоидной (слева - схематическое изображение)

Количественное соотношение этих структурных составляющих зависит от массовой доли углерода в стали. Поскольку феррит содержит очень мало углерода (менее 0,006 %), то основным носителем углерода в доэвтектоидной стали является перлит, характеризующийся постоянной массовой долей углерода (0,8 %). Поэтому с увеличением в стали массовой доли углерода доля перлита в структуре увеличивается, а феррита соответственно уменьшается. Изменение структуры влечет за собой изменения механических свойств. Направление этих изменений можно определить на основе сопоставления свойств структурных составляющих. Перлит содержит 88 % ферритной фазы и 12 % цементитной и поэтому, по сравнению с ферритной структурной составляющей, обладает большей твердостью и прочностью. Следовательно, с увеличением массовой доли углерода в доэвтектоидной стали увеличивается доля перлита в ее структуре, что приводит к увеличению твердости и прочности и уменьшению пластичности и ударной вязкости.

Заэвтектоидные стали содержат углерода от 0,8 до 2,14 % и имеют структуру, которая состоит из перлита и цементита (рис.3.2в). Структурно-свободный цементит (цементит вторичный) в объеме медленно охлажденной стали располагается вокруг перлитных зерен и металлографически это проявляется в виде цементитной сетке. Такое расположение вторичного цементита способствует повышению хрупкости и снижению вследствие этого, прочности. Поэтому от цементитной сетки избавляются путем отжига на зернистый перлит, добиваясь более равномерного распределения зерен цементита в стали.

Задание на практическую работу.

1. По диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов построить кривую охлаждения для сплава с указанным в задании содержанием углерода.

2. Провести анализ структурных превращений для заданного сплава в критических точках кривой охлаждения.

Пример выполнения работы

По диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов (рис. 23) построить кривую охлаждения для сплава с содержанием углерода 5,5 % с последующим анализом структурных превращений.

Для заданного сплава по диаграмме состояния критические точки будут при температурах 1420, 1147 и 727°С.

Данный сплав представляет собой заэвтектический чугун.

При температурах выше 1420°С сплав находится в жидком состоянии. При температуре 1420°С в сплаве начинают образовываться твердые частицы первичного цементита.

При температуре 1147°С сплав полностью переходит в твердое состояние. Структура состоит из включений цементита и эвтектики (ледебурита), который представляет собой механическую смесь аустенита и цементита.



При температуре 727°С аустенит перекристаллизуется в перлит, поэтому структура сплава при более низких температурах состоит из включений первичного цементита и ледебурита, представляющего собой механическую смесь перлита и цементита.

Содержание отчета.

1. Название практической работы.

2. Цель работы.

3. Задание.

4. Кривая охлаждения.

5. Название данного сплава.

6. Анализ структурных превращений в критических точках кривой охлаждения.

Практическая работа № 4

Расшифровка марок различных сталей и чугунов по заданным условиям.

Цель: Изучение принципов обозначения марок сталей и чугунов

Маркировка чугуна.

Чугун - сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14% углерода, постоянные примеси. Они малопластичны, не прокатываются и не куются. Чугуны обладают пониженной температурой плавления и хорошими литейными свойствами. За счет этого из чугунов можно делать отливки значительно более сложной формы, чем из сталей.

Разновидности чугунов.

В зависимости от того, какой формы присутствует углерод в сплавах, различают белые, серые, ковкие и высокопрочные чугуны.

Белый чугун.

Такое название он получил по виду излома, который имеет матово-белый цвет. Весь углерод в этом чугуне находится в связанном состоянии в виде цементит. Белые чугуны имеют большую твердость (НВ 450-550) и , как следствие этого, они очень хрупкие и для изготовления деталей машин не используются.

В сером чугуне углерод находится в виде графита пластинчатой формы. Серые чугуны, маркируются буквами «СЧ» и цифрами, характеризующими величину предела прочности (временного сопротивления) уВ при испытаниях на растяжение в МПа·10-1.

Пример:

СЧ 10; СЧ 15; СЧ 20; СЧ 25; СЧ 30; СЧ 35.

СЧ 25 - серый чугун, уВ = 250 МПа

Высокопрочные чугуны. Отличительной особенностью высокопрочного чугуна являются его высокие механические свойства, так как структура углерода в нем - шаровидный графит, маркируются высокопрочные чугуны буквами «ВЧ» и цифрами, характеризующими величину временного сопротивления при испытаниях на растяжение уВ в МПа·10-1.

Пример:

ВЧ 10; ВЧ 15; ВЧ 20; ВЧ 25; ВЧ 30; ВЧ 35.

ВЧ 50 - высокопрочный чугун, уВ = 500 Мпа

Высокопрочные чугуны с вермикулярным графитом, маркируются буквами «ЧВГ» и цифрами, характеризующими временное сопротивление при испытаниях на растяжение уВ в МПа·10-1.

Пример:

ЧВГ 30; ЧВГ 35; ЧВГ 40; ЧВГ 45.

ЧВГ 40 - чугун с вермикулярным графитом

уВ = 400 МПа

Ковкий чугун. Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Несмотря на свое название, они никогда не подвергаются ковке. Конфигурация детали из ковкого чугуна определяется формой отливки, маркируются ковкие чугуны буквами «КЧ» и цифрами, первая характеризует величину временного сопротивления при испытаниях на растяжение уВ в МПа·10-1, вторая - относительное удлинение в %.

Пример:

КЧ 33-8; КЧ 37-12; КЧ 55-4; КЧ 65-3.

КЧ 55-4 - ковкий чугун, уВ = 550 МПа, д = 4%

Маркировка стали.

Стали продолжают оставаться важнейшими конструкционными и инструментальными материалами, применяемыми в различных отраслях промышленности.

Маркировка стали зависит от ее металлургического качества, назначения и химического состава. Металлургическое качество стали зависит от ее чистоты по вредным примесям (сере S и фосфору P) и неметаллическим включениям.

По металлургическому качеству сталь разделяют на:

? сталь обыкновенного качества (S не более 0,055…0,060 %; P не более 0,05…0,07 %);

? качественную (S не более 0,03 %; P не более 0,03 %);

? высококачественную (S не более 0,025 %; P не более 0,025 %);

? особо высококачественную (S не более 0,015 %; P не более 0,015 %; ограничение по количеству неметаллических включений на единице площади металлографического шлифа).

Металлургическое качество стали определяет алгоритм дальнейшей расшифровки марки.

По назначению сталь делят на следующие основные группы:

? конструкционные;

? инструментальные;

? стали с особыми свойствами.

По химическому составу сталь делят на углеродистую и легированную.

Углеродистая сталь обыкновенного качества обозначается буквами Ст и цифрами от 0 до 6. Цифры - это условный номер марки. Чем больше число, тем больше содержание углерода, выше прочность и ниже пластичность. В зависимости от назначения и свойств углеродистые стали обыкновенного качества бывают трех групп: А, Б, В. Например, сталь группы А: Ст0, Ст1кп, Ст1пс и т.д. Индексы, стоящие справа от номера марки, означают: кп - кипящая сталь; пс - полуспокойная сталь; сп - спокойная сталь. Между индексом и номером марки может стоять буква Г, что означает повышенное содержание марганца. Например, Ст5Гпс. В обозначение марок слева от букв Ст указывается группа стали Б или В. Группа А в маркировке не указывается. Например: БСт1кп, ВСт2пс.

Сталь обыкновенного качества подразделяется на категории. Категорию обозначают соответствующей цифрой правее индекса степени раскисления. Например, Ст5Гпс3 - сталь группы А, марки Ст5, с повышенным содержанием марганца, полуспокойная, третьей категории.

Пример: Сталь Ст4кп - сталь обыкновенного качества (неверно говорить - обычного!) № 4 по ГОСТ 380-2005, кипящая.

Сталь углеродистая качественная конструкционная отличается меньшим содержанием серы, фосфора и других вредных примесей, более узкими пределами содержания углерода в каждой марке и более высоким содержанием кремния и марганца.

Сталь маркируют двухзначными числами, которые обозначают содержание углерода в сотых долях процента. По степени раскисления сталь подразделяют на кипящую, полуспокойную и спокойную. У спокойной стали индекс не указывают. Буква Г в марках стали указывает на повышенное содержание марганца (до 1%). Например, 05, 08, 10, 15, 20, и т. д. до 60, 60Г, 70Г.

Пример: 08кп - сталь качественная конструкционная с содержанием 0,08 % углерода, кипящая.

80 - сталь качественная конструкционная с содержанием 0,80 % углерода.

Углеродистая инструментальная сталь обозначается буквой У и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в десятых долях процента, например У7, У10, У12 и т.д. Буква А после цифр обозначает, что сталь высококачественная - У8А.

Пример: У8 - сталь качественная инструментальная с содержанием 0,8 % углерода, кипящая.

У13 - сталь качественная инструментальная с содержанием углерода 1,3 %.

Содержание отчета.

1. Название практической работы.

2. Цель работы.

3. Расшифровка марок сталей и чугунов по карточке индивидуального задания.

4. Ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы.

1. Какой сплав называют углеродистой сталью?

2. Как маркируют углеродистые стали обыкновенного качества?

3. На какие группы делятся стали по назначению?

4. Какая буква в марках стали указывает на повышенное содержание марганца?

5. Объясните принципы маркировки инструментальных сталей

6. Объясните принципы маркировки чугунов

7. На какие группы делятся чугуны в зависимости от формы графитовых включений?

8. Какие чугуны получают путем длительного отжига заготовок из белого чугуна?

Практическая работа № 5

Расшифровка различных марок легированных сталей.

Цель: Закрепить знания по условному обозначению марок легированных сталей согласно ГОСТ

Легированными называют стали, в которых кроме обычных примесей, железа и углерода содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (хром, никель, молибден и др., а также марганец и кремний в количествах, превышающих 0,8…1,2 %), с целью придания сталям определенных свойств.

В зависимости от суммарного содержания легирующих элементов легированные стали делят на:

- низколегированные (содержание легирующих элементов в сумме не более 2,5 %);

- легированные (от 2,5 до 10 %);

- высоколегированные (более 10 %).

По назначению легированные стали делят на конструкционные, инструментальные и стали специального назначения.

В России и странах СНГ принята буквенно-цифровая система, согласно которой цифрами обозначается содержание элементов стали, а буквами - наименование элементов.

Легированные конструкционные стали маркируются цифрами и буквами, например, 15Х, 10Г2СД, 20Х2Н4А и т.д. Двузначные цифры, приводимые в начале марки, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Буквы русского алфавита обозначают легирующий элемент, а цифры после букв - его содержание в процентах. Отсутствие цифры указывает, что содержание легирующего элемента составляет до 1,5 % и менее.

Основная масса легированных конструкционных сталей выплавляется качественными (например, 30ХГС).

Высококачественные легированные стали обозначаются буквой «А», помещенной в конце марки (например, 30ХГСА).

Особовысококачественная сталь обозначается буквой «Ш», располагаемой в конце марки (например, 30ХГС-Ш, 30ХГСА-Ш). Если буква «А» расположена в середине марки (например, 16Г2АФ), то сталь легирована азотом. При обозначении литейной легированной стали к марке конструкционной легированной стали добавляется буква «Л», которая ставится в конце обозначения, например, 15ГЛ, 40ХНЛ и т.д.

В марках легированных инструментальных сталей, например 9ХФ, 7X3, 3Х2В8Ф и др., цифра в начале марки указывает среднее содержание углерода в десятых долях процента, если его содержание менее 1 % (ГОСТ 5950-2000) . При содержании углерода в сталях более 1 % цифру не пишут. Расшифровка марок инструментальных сталей по содержанию легирующих элементов такая же, как для конструкционных сталей. Все инструментальные легированные стали всегда высококачественные и поэтому в обозначениях этих сталей буква «А» не ставится.

Инструментальные легированные стали используют для изготовления:

а) режущего и измерительного инструмента (7ХФ, 9ХФ, 9ХС, 9ХВГ, 9Х5ВФ, Р6М5, Р9, Р12, Р18, Р6МЗ, Р9К5, Р9К10, Р18К5Ф2 и др.). Буква «Р» в сталях обозначает «быстрорежущая», цифра, стоящая после буквы «Р», указывает на содержание вольфрама в процентах (от 8 до 19%);

б) штампов холодного и горячего деформирования и накатного инструмента (Х6ВФ, 9X1, Х12Ф1, ХВГ, ЗХ2В8Ф, 4Х8В2,5ХНВС, 4ХС, В2С, 6Х6ВЗМФС, 8Х4ВЗМЗФ2 и др.).

Стали специального назначения - это стали, обладающие специальными свойствами - например, жаропрочные, жаростойкие, коррозионно-стойкие и т.д.

Коррозионностойкой (или нержавеющей) называют сталь, обладающую высокой химической стойкостью в агрессивных средах. Коррозионностойкие стали получают легированием низко- и среднеуглеродистых сталей хромом, никелем, титаном, алюминием, марганцем. Антикоррозионные свойства сталям придают введением в них большого количества хрома или хрома и никеля. Хромоникелевые нержавеющие имеют большую коррозийную стойкость, чем хромистые стали, обладают повышенной прочностью и хорошей технологичностью в отношении обработки давлением. Например, 95Х18, 30Х13, 08Х17Т, 12Х18Н10Т, 08Х10Н20Т2.

Автоматные стали. Характерной особенностью автоматных сталей является хорошая обрабатываемость резанием на металлорежущих станках. Это достигается в первую очередь повышением в автоматных сталях содержания серы до 0,15-0,35% и фосфора до 0,10-0,15%. Безусловно эти элементы ухудшают механические свойства сталей, зато производство выигрывает в затратах на механическую обработку, так как получает возможность изготавливать неответственный крепеж (болты, винты, гайки) и мелкие детали в условиях массового производства на быстроходных автоматических линиях. Автоматными сталями являются как углеродистые, так и легированные стали. Маркируются автоматные стали буквой «А», которая ставится в начале марки перед указанием количества углерода: А12, А20, А30 и т.д. Помимо этих основных элементов (S и Р) в автоматные стали вводят свинец, селен, кальций. Введение этих элементов находит отражение в написании марки. Свинец обозначается буквой «С», а кальций буквой «Ц». Обе эти буквы ставятся после буквы «А» и перед цифрой, обозначающей углерод в марке. Свинецсодержащие марки: АС14, АС40, АС35Г2, АС45Г2, АС30ХМ, АС40ХГНМ. Свинец вводится в количестве 0,15-0,30%. Кальцийсодержащие марки: АЦ20, АЦ40, АЦ60, АЦ40Х, АЦ35Г2, АЦ30ХМ и др. Количество кальция в марке ничтожно мало: 0,001-0,007%, т.е. не превышает одной сотой процента. А селен, обозначаемый в марке буквой «Е», ставится в конце марки: А35Е, А45Е, А40ХЕ. Количество селена не превышает десятой доли процента.

Жаропрочные стали - это стали, способные выдерживать механические нагрузки без существенных деформаций при высоких температурах. К числу жаропрочных относят стали, содержащие хром, кремний, молибден, никель и др. Например, 40Х10С2М, 11Х11Н2В2МФ.

Износостойкие - стали, обладающие повышенной стойкостью к износу: шарикоподшипниковые, графитизированные и высокомарганцовистые.

Судостроительные стали. По уровням прочности углеродистые судостроительные стали подразделены на стали нормальной, повышенной и высокой прочности. Сталь нормальной прочности (временное сопротивление 400-520 МПа, минимальный предел текучести - 235МПа, минимальное относительное удлинение 22% в зависимости требуемой минимальной величины работы удара при заданной температуре испытания подразделяется на 4 категории: А,В,D,Е. Сталь категории А при S? 50мм должна обеспечить работу удара для продольных образцов не ниже 27Дж при 20°С, сталь категории В - не ниже 27Дж при 0°С, сталь категории D - не ниже 27Дж при -20°С, сталь категории Е - не ниже 27Дж при -40°С(S? 50мм), не ниже 34 ДЖ при -40°С (50?S?70 мм), не ниже 41Дж при -40°С(70?S?100 мм). По степени раскисления стали категории А и В должны быть спокойными (СП) или полуспокойными, категории D - только СП, категории Е - СП, мелкозернистой, обработанной алюминием. Состояние поставки для сталей категории А, В, D толщиной до 50 мм не регламентируется. Эти же категории стали толщиной 50-100 мм поставляются нормализованными (N), прокатанными с контролируемой температурой (CR) или после термомеханической обработки (TMCP). Сталь категории Е толщиной до 100 мм поставляется нормализованной (N), или термомеханически обработанной (TMCP).

Стали повышенной прочности имеющие временное сопротивление 440-650 МПа и относительное удлинение 20-22%, подразделяются на категории А, D, Е с добавлением цифры, указывающей предел текучести при растяжении:

А32, D32, Е 32 - предел текучести не менее 315 МПа

А36, D36, Е 36 - предел текучести не менее 355МПа

А40, D40, Е40 - не менее 390 МПа.

При этом, также как для сталей нормальной прочности, категория определяется в зависимости от минимальной величины работы удара при заданной температуре испытаний. Так, сталь категории А32 при толщине до 50 мм должна обеспечивать работу удара не менее 31 Дж при температуре испытания при 0°С, сталь D32 при температуре испытания -20°С, сталь Е32 - при -40°С. Сталь категории А40 при толщине до 50 мм должна обеспечивать работу удара не менее 41 Дж при температуре испытания 0°С, сталь D40 при температуре испытания -20°С, сталь Е40 - при -40°С. Сталь, предназначающаяся для конструкций, работающих при низких температурах (до -50°С) имеет категорию F (F32, F36, F40) и на ударный изгиб испытывается при температуре -60°С.

Сталь высокой прочности в зависимости от гарантированного минимума предела текучести подразделяются на 6 уровней прочности: 420, 460, 500, 550, 620, 690 МПа; для каждого уровня прочности в зависимости от температуры испытаний на ударный изгиб установлены 4 категории: A,D,E,F.

Еще одной разновидностью судостроительной стали является зет-сталь, то есть сталь с гарантируемым уровнем пластических свойств в направлении толщины проката, предназначенная для изготовления сварных конструкций, способная воспринимать значительные напряжения, перпендикулярные к поверхности проката. В маркировке указывается условное обозначение зет-стали, например, D32Z, где D32 - условное обозначение категории стали, Z - условное обозначение стали с гарантированными свойствами по толщине.

Сталь подшипниковая. Стали для изготовления деталей подшипников (колец, шариков, роликов) считаются конструкционными, но по составу и свойствам относятся к инструментальным. Стали поставляются по ГОСТ 801-78 марок ШХ4, ШХ15 и ШХ20ГС. В обозначении марок буква Ш означает подшипниковую сталь; Х - наличие хрома; число - его содержание в десятых долях процента (0,4; 1,5; 2,0); Г и С - легирование марганцем (до 1,7 %) и кремнием (до 0,85 %).

Примеры обозначения и расшифровки:

1. 40ХГТР - сталь конструкционная, легированная, качественная, содержащая 0,4% углерода и по 1% хрома, марганца, титана, бора, остальное- железо и примеси.

2. 38Х2МЮА - сталь конструкционная, легированная, высококачественная, содержащая 0,38% углерода, 2% % хрома, 1% молибдена, алюминия

3. ХВГ - сталь инструментальная, легированная, качественная, содержащая 1% углерода и по 1% хрома, вольфрама и марганца

4. ШХ15 - сталь подшипниковая, качественная, содержащая около 1% углерода, 1,5% хрома

5. Р10К5Ф5 - сталь быстрорежущая, инструментальная, качественная, содержащая около 1% углерода, 10 % вольфрама, 5% кобальта, 5% ванадия

Содержание отчета.

1. Название практической работы.

2. Цель работы.

3. Расшифровка марок сталей по заданию.

4. Ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. С какой целью в сталь вводят легирующие элементы?

2. Какие стали относят к легированным сталям с особыми свойствами?

3. Какие химические элементы придают стали коррозионную стойкость?

4. Что обозначают цифры после букв в марке легированной стали?

5. Объясните принципы маркировки подшипниковой стали?

6. Классификация сталей по содержанию легирующих элементов.

7. Объясните правила маркировки судостроительных сталей

8. Что обозначает цифра после буквы «Р» в маркировке быстрорежущих инструментальных сталей

Практическая работа № 6

Расшифровка марок цветных сплавов.

Цель: изучение цветных металлов, определение химического состава цветных металлов и их сплавов по их маркам.

Цветные металлы и сплавы широко применяются в различных областях промышленности. Цветные металлы и их сплавы обладают различными физико-химическими, механическими и технологическими свойствами, благодаря которым они нашли широкое применение: высокой устойчивостью против коррозии, электро- и теплопроводностью, способностью подвергаться различным видам обработки.

Медь и сплавы на ее основе.

Медь. По ГОСТ 859 - 2014 первичная техническая медь выпускается в виде катодов, слитков, полуфабрикатов, прутков, которые перерабатываются в круглые, квадратные, шестигранные горячекатаные и тянутые ленты, труб, проволоки электротехнической, фольги медной и рулонной и электролитической и медных порошков. Маркируется медь буквой М и цифрами, зависящими от содержания примесей. Медь марок М00 (0,01% примесей), М0 (0,05%примесей), М1(0,1%примесей) используется для изготовления проводников электрического тока, медь М2 (0,3%примесей) - для производства высококачественных сплавов меди, М3 (0,5%примесей)- для сплавов обыкновенного качества.

В качестве конструкционного материала технически чистую медь применяют редко, так как она имеет низкие прочностные свойства, твердость.

Основными конструкционными материалами на основе меди являются сплавы латуни и бронзы.

Бронзы - Бронзы - это сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием и другими элементами. Маркировка бронзы начинается с букв Бр.

По технологическому признаку бронзы делятся на деформируемые и литейные.

Деформируемые бронзы маркируются буквами Бр, после которых перечисляются легирующие элементы, а затем соответственно содержание этих элементов в процентах (табл. 2.2). Содержание меди определяется по разности от 100 %. Содержание всех этих элементов указывается в конце марки через тире в том же порядке, что и указанные легирующие вещества.

Н а Пример, БрОЦС4-4-4 - обрабатываемая давлением бронза с содержанием 4% олова, 4% цинка, 4% свинца, остальное - медь.

БрАЖНМц9-4-4-1 - обрабатываемая давлением бронза с содержанием 9% алюминия, 4% железа, 4% никеля, 1% марганца, остальное - медь.

БрОЦС 8-4-3 содержит 8 % Sn, 4 % Zn, 3 % Pb, остальное - медь.

В марке литейной бронзы после обозначения Бр стоят буквы, обозначающие легирующие элементы (Прил.2), и сразу после них - число весовых процентов данного элемента. (Иногда в конце марки стоит буква Л (литейная).

Н а Пример, Бр06Ц3Н6 - литейная бронза содержит 6 % Sn, 3 % Zn, 6 % Pb, 85 % Сu.

БрО5Ц5С5 - литейная бронза с содержанием 5% олова, 5% цинка, 5% свинца, остальное - медь.

БрА7Мц15Ж3Н2Ц2 - литейная бронза с содержанием 7% алюминия, 15% марганца, 3% железа, 2% никеля, 2% цинка, остальное - медь (ГОСТ 493-79).

Латуни. Сплавы меди с цинком называются латунями. По сравнению с медью латунь обладает более высокой прочностью, твердостью, упругостью, коррозионной стойкостью, меньшей пластичностью и высокими технологическими свойствами (литейными свойствами, деформируемостью и обрабатываемостью резанием.

Маркировка латуней начинается с буквы Л. В зависимости от назначения и метода обработки латуни делят на литейные (ГОСТ 17711-93) и обрабатываемые давлением (ГОСТ 15527-2004). В марке латуни, обрабатываемой давлением, после буквы Л стоит содержание меди в весовых процентах. Затем идет перечень всех букв легирующих элементов (табл. 2.2), входящих в состав сплава. Содержание этих элементов (в вес.%) указывается в конце марки через тире в том же порядке, что и указанные легирующие вещества. Содержание главного легирующего элемента в латуни (цинк) получается как остаток до 100%.

Пример: ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5 - обрабатываемая давлением латунь содержит 75% меди, легирована 2% алюминия, 2% никеля, 0,5% кремния, 0,5% марганца, остальное - цинк (ГОСТ 15527-2004).

В марке литейной латуни после буквы Л стоит Ц и сразу указывается содержание цинка (в весовых %). Далее в таком же порядке приводятся остальные легирующие элементы (Прил.2) с их содержанием. Остальное - медь.

Пример: ЛЦ23А6Ж3Мц2 - литейная латунь с содержанием 23% цинка, 6% алюминия, 3% железа, 2% марганца, остальное - медь (ГОСТ 17711-93).

Медно-никелевые сплавы (ГОСТ 492-2006) обладают особыми физическими и химическими свойствами. Марка таких сплавов начинается с буквы М (медь), затем идут буквы легирующих элементов и в конце в том же порядке среднее содержание этих веществ в весовых процентах.

Пример: Сплав МНМц15-20 - медный сплав с содержанием 15% никеля и 20% марганца.

Алюминий. В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты: А999 (99,999 % А1); высокой чистоты:

А995 (99,995 % Al), A99 (99,99 % Al), A97 (99,97 % А1), А95

(99,95 % А1) и технической чистоты: А85, А8, А7, А6, А5, А0

(99,0 % А1) (ГОСТ 4784-97).

Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовления, способности к упрочнению термической обработкой и свойствам. Единой цифровой маркировки алюминиевых сплавов не существует, деформируемые, литейные и спеченные сплавы маркируются по-разному.

Деформируемые сплавы имеют буквенную и буквенно-цифровую маркировку, причем выбор букв и цифр производится случайным образом: сплав Al-Si-Cu-Mg , обозначается АВ (авиаль), сплав Al-Mn обозначается АМц, а сплав AL-Mg обозначается -АМг. Цифры, следующие за буквами, приблизительно соответствуют содержанию легирующего элемента.

Авиалями называют алюминиевые деформируемые сплавы тройной системы Al-Mg-Si, которые могут содержать так же другие легирующие элементы. Авиаль уступает дюралюминам по прочности, но имеет лучшую пластичность, предел выносливости с малой плотностью. Высокая пластичность после закалки облегчает обработку сплавов давлением. Из авиаля изготавливают кованые и штампованные детали сложной формы.

К группе деформируемых алюминиевых сплавов, не упрочняемых термической обработкой относятся сплавы алюминия с марганцем АМц и магнием АМг. Сплавы отличаются невысокой прочностью (ув= 110 МПа), высокой пластичностью (д =30 %), что обеспечивает хорошую обрабатываемость давлением, хорошую свариваемость и высокую коррозионную стойкость. Обработка резанием затруднена. Сплавы АМц и АМг применяются для сварных и клепаных элементов конструкций, испытывающих небольшие нагрузки, но требующие высокого сопротивления коррозии. Сплавы для сварных конструкций разделяют на две группы:

* алюминиево-марганцевые (марки АМц, АМц1);

* алюминиево-магниевые или магналии (марки АМг2, АМг3, АМг4).

Буквы означают группу сплавов, цифры - порядковый номер (у алюминиево-марганцевых) или среднее содержание магния в процентах (у алюминиево-магниевых).

Пример: АМц1 означает алюминиево-марганцевый сплав для сварных конструкций с порядковым номером 1;

АМг3 - алюминиево-магниевый сплав для сварных конструкций, содержащий 3% магния.

Дюралюмины - сплавы системы А1?Сu?Mg и системы Al-Cu-Mn. Деформируемые термически упрочняемые (закалка + старение) сплавы. Маркируются буквой Д и порядковым номером в ГОСТ 4784-97. Буква Д означает дуралюмин, цифра - порядковый номер сплава.

...