Работа № 2. Измерение твердости металлов ……………………….….17

Содержание

Работа № 1. Макроскопический метод исследования металлов и

сплавов …………………………………………………………………….4

 

Работа № 2. Измерение твердости металлов ……………………….….17

 

Работа № 3. Механические испытания металлов……………………....29

 

Работа № 4. Влияние холодной пластической деформации и рекристаллизации на структуру и свойства стали …...………...………..…...40

 

Работа № 5. Диаграмма состояния железо - углеродистых

сплавов…………………………………………....................……………49

 

Работа № 6. Изучение структуры и свойств углеродистых сталей в

равновесном состоянии ..…………………...………………………..….64

 

Работа № 7. Изучение структуры и свойств чугунов.............................72

Работа № 8. Термическая обработка углеродистых сталей …...……...83

Работа № 9. Инструментальные стали………………………………….96

Работа № 10. Медные и антифрикционные сплавы…………………..107

 

Библиографический список…………………………………………….120

 

 

Работа № 1

Макроскопический метод исследования металлов и сплавов

Приборы и оборудование: коллекция макрошлифов, изломов и сварных швов.   Исследование строения металлов и сплавов невооруженным глазом, а также при помощи лупы или бинокулярного микроскопа…

Реактивы для травления

  Макроанализ находит широкое применение в промышленности, так как дает… Макроанализ по виду излома.Внутренние дефекты, которые могут привести к разрушению изделия, выявляются при изучении…

Порядок выполнения работы

 

1. Ознакомиться с методикой приготовления макрошлифов.

2. Изучить коллекцию макрошлифов. Зарисовать их.

3. Изучить и зарисовать основные виды изломов (вязкий, хрупкий, усталостный).

Контрольные вопросы и задания.

1. Что такое макроанализ?

2. Что такое макрошлиф? Как производится подготовка образцов?

3. Перечислите признаки хрупкого и вязкого разрушения на примере изломов.

4. Опишите механизм усталостного разрушения и назовите зоны этого разрушения.

5. Охарактеризуйте факторы, влияющие на переход металлов из вязкого состояния в хрупкое.

6. Объясните сущность ликвации.

7. Что такое красноломкость и хладноломкость?

8. Объясните сущность образования волокнистого строения металла в процессе пластического деформирования.

9. Приведите примеры рационального расположения волокон металла в зависимости от способа изготовления детали.

10. Перечислите дефекты сварных швов.

11. Назовите основные зоны стального слитка и дайте их характеристику.

12. Охарактеризуйте возможные дефекты отливок.

 

Работа № 2

Измерение твердости металлов

Приборы и оборудование: пресс Бринелля, пресс Роквелла, отсчетный микроскоп для определения диаметра отпечатка, образцы сталей, чугунов и цветных…   Краткие сведения из теории. Определение твердости является широко распространенным способом испытаний для…

Соотношение диаметров шарика и нагрузки при испытании металлов по методу Бринелля

Таблица 3

Твердость по Бринеллю

 

Практика определения твердости по Бринеллю

1. Пользуясь табл. 2 для заданного образца определить диаметр шарика, величину нагрузки Р и время выдержки образца под нагрузкой. 2. Закрепить шарик в держателе 15 (рис. 11). 3. Установить необходимую нагрузку Р на приборе. Минимальная нагрузка 187,5 кгс обеспечивается только массой подвески…

Пределы измерения твердости

Правильность показания прибора контролируется эталонным бруском. Числа твердости по Роквеллу можно перевести в числа твердости по Бринеллю пользуясь… Расстояние от центра отпечатка до края образца или до центра другого отпечатка… Твердость следует измерять не менее чем в трех точках (особенно алмазным конусом), для расчета лучше принимать среднее…

Практика определения твердости по Роквеллу

2. Установить в шпиндель 8 выбранный наконечник и закрепить его винтом. 3. В зависимости от размеров и формы изделия выбрать и закрепить столик 6. 4. Установить приготовленный испытуемый образец на столик.

Порядок выполнения работы

 

1. Изучить принципиальное устройство приборов для определения твердости металлов: пресс Бринелля и пресс Роквелла.

2. Изучить порядок проведения замеров.

3. Произвести замеры твердости образцов на изученных приборах.

4. Оформить протоколы замеров.

Контрольные вопросы и задания.

13. Что такое твердость?

14. Методы определения твердости.

15. Сущность определения твердости по Бринеллю.

16. Режимы для определения твердости по Бринеллю.

17. Недостатки измерения твердости по Бринеллю.

18. Сущность определения твердости по Роквеллу.

19. Выбор шкалы, величины общей нагрузки и геометрической формы наконечника по Роквеллу.

20. Единицы измерения твердости по Бринеллю и Роквеллу.

Приложение 1

Таблица сопоставления чисел твердости, определяемых

Различными методами

Работа № 3.

Механические испытания металлов

Цель работы: ознакомиться с испытательным оборудованием для определения основных механических характеристик; провести механические испытания… Приборы и оборудование: образцы, применяемые для различных видов испытаний;…  

Стандартные размеры образцов

  При испытании на растяжение образец, установленный в захватах машины,… Образцы из разных материалов разрушаются в результате испытаний различно.

Порядок выполнения работы

1. Установить длину рабочей части и площадь поперечного сече- ния образца до испытания.

2. Провести испытания образца на растяжение с записью диаграм- мы.

3. По диаграмме растяжения определить предел пропорциональ- ности, предел текучести, предел прочности.

4. Определить относительное удлинение и сужение образца.

5. Провести испытания на ударную вязкость и определить ее зна- чение.

 

Контрольные вопросы и задания

1. Виды механических испытаний металлов.

2. Какие характеристики определяют при испытании на растя- жении?

3. Что такое ударная вязкость?

4. Как проводятся испытания на ударную вязкость?

5. Что такое усталость, выносливость и предел выносливости ме- таллов?

6. Как определяется предел выносливости?

 

Работа № 4

Влияние холодной пластической деформации и

Рекристаллизации на структуру и свойства стали

Цель работы: изучить влияние холодной пластической деформации на структуру и свойства (твердость) малоуглеродистой стали; изучить влияние… Приборы и оборудование: набор готовых микрошлифов, микроскоп МИМ-7,…  

Порядок выполнения работы

В данной работе студенты знакомятся с изменением формы, размеров зерен и твердости металла, подвергнутого холодной пластической деформации и… При выполнении работы необходимо выполнить следующее. 1. Привести краткое изложение основных теоретических положе- ний.

Результаты измерения твердости и определения микроструктуры

Сталей в зависимости от степени пластической деформации

Степень пластической деформации ε, %	Твердость HRC	Микроструктура

 

3. По данным табл. 6 построить график HRС = f(ε). Сделать вывод.

 

Контрольные вопросы и задания

1. Дайте характеристику способов, с помощью которых осуществляется пластическая деформация.

2. Что такое наклеп или нагартовка? Как изменяются свойства материала при наклепе?

3. Что такое текстура деформации?

4. Охарактеризуйте процессы возврата и рекристаллизации. Какое влияние оказывает температура нагрева на свойства и микроструктуру сталей?

5. Как определяется Т_рек.?

6. Что называется рекристаллизационным отжигом, его назначение?

7. Что называется холодной и горячей обработкой давлением?

8. Что называется критической степенью деформации, какое влияние она оказывает на свойства сталей?

 

 

 

 

Работа № 5

Диаграмма состояния железо - углеродистых

Сплавов

  Компоненты и фазы в системе железо – углерод.Железо – металл сероватого цвета.… Углерод является неметаллическим элементом II периода IV группы периодической системы, атомный номер 6, плотность 2,5…

Порядок выполнения работы

2. Вычертить в масштабе диаграмму Fe-Fe3C с указанием темпера- тур фазовых превращений и концентраций углерода в характерных точках: H, J, B, P, S,… 3. Указать и описать фазы и структурные составляющие, имеющие место на… 4. Написать изотермические реакции, происходящие при охлажде-нии на линиях HIB, ECF, PSK.

Пояснения к выполнению работы

2. Графическое построение кривой охлаждения должно сопровождаться объяснением всех фазовых превращений, происходящих в процессе его охлаждения (или… 3. Правильность построения кривой охлаждения (или нагрева) проверить, применяя… 4. При определении количественного соотношения фаз (т.е. массовых долей) при заданной температуре воспользоваться…

Контрольные вопросы и задания

1. Какие фазы образуются в системе Fe-Fe₃C?

2. Укажите изотермические реакции, происходящие при охлаждении на линиях HIB, ECF, PSK.

3. Постройте кривую охлаждения и опишите превращения, происходящие в доэвтектоидной стали и заэвтектическом чугуне.

4. Как структурный и фазовый состав стали и чугуна зависят от содержания углерода и температуры?

 

 

Таблица 7

Варианты индивидуальных заданий

Вариант	С,%	Температура, ºС	Вариант	С,%	Температура, ºС
	0,1				1,4
	0,14				1,6
3	0,16				2,0
	0,18				2,2
	0,2				2,4
	0,25				2,8
	0,3				3,0
	0,35				3,4
	0,5				3,8
	0,6				4,0
	0,7				4,3
	0,8				4,6
	0,9				5,0
	1,0				5,5
	1,3				6,0

Работа № 6

Изучение структуры и свойств углеродистых сталей в равновесном состоянии

Приборы и оборудование: набор микрошлифов в лабораторной коллекции отожженных углеродистых сталей, металлографические микроскопы, твердомеры…   Равновесное состояние сплава достигается при очень медленном охлаждении, при котором все фазовые превращения…

Порядок выполнения работы

1. Начертить область диаграммы состояния системы Fe-Fe3C, соот- ветствующую сталям. 2. На диаграмме состояния Fe-Fe3C провести вертикальные линии, соответствующие… 3. Изучить и зарисовать микроструктуру доэвтектоидных, эвтек-тоидной и заэвтектоидных сталей. Микроструктуры…

Контрольные вопросы

 

1. Какие сплавы называются сталями?

2. Как классифицируются углеродистые стали по структуре?

3. Какие фазы и структурные составляющие имеются в углеродис- тых сталях?

4. Как изменяются механические свойства углеродистых сталей по мере увеличения содержания углерода?

5. Как определяется содержание углерода в сталях по микрострук- туре?

6. Как классифицируются стали по назначению?

7. Какие вредные примеси влияют на качество стали?

8. Как маркируются стали обыкновенного качества, их применение?

9. Как маркируются стали качественные конструкционные, их при- менение?

10. Как маркируются углеродистые инструментальные стали, их применение?

11. Какие стали называются автоматными, их маркировка и приме- нение?

Работа № 7

Изучение структуры и свойств чугунов

Цель работы: изучение микроструктуры чугунов разных марок, установление зависимости между структурой и механическими свойствами чугунов. Приборы и оборудование: набор микрошлифов лабораторной коллекции чугунов,…  

Ковкие чугуны. Название «ковкий чугун» является условным, поскольку изделия из него, как и из любого другого чугуна изготавливают не ковкой, а литьем. Название «ковкий» этот чугун получил вследствие более высоких, по сравнению с серыми чугунами пластических свойств.

Принципиальная схема технологии получения деталей из ковкого чугуна состоит из двух операций. Сначала путем отливки из белого доэвтектического чугуна получают детали (рекомендуемый химический состав заливаемого в формы сплава: 2,4...2,9% С; 1,0...1,6% Si; 0,3...1,0% Мn; ≤ 0,1% S; ≤ 0,2% Р, затем полученные отливки подвергают специальному графитизирующему отжигу (томлению). Отжиг состоит обычно из двух стадий (рис. 35).

Вначале отливки из белого чугуна (чаще упакованные в ящики с песком) медленно нагревают в течение 20...25 ч до температуры 950...1050°С. И при этой же температуре длительно их выдерживают (в течение 10...15 ч). В этот период протекает первая стадия графитизации, т.е. распад цементита, входящего в состав ледебурита (А + Fe₃С), и установление стабильного равновесия аустенит + графит.

В результате распада цементита образуется хлопьевидный графит (углерод отжига).

Металлическая основа чугуна формируется на второй стадии отжига при эвтектоидном превращении. В случае непрерывного охлаждения отливки (на воздухе) в области эвтектоидной (727°С) температуры аустенит распадается на перлит и процесс графитизации не успеет охватить цементит перлита. Чугун принимает структуру: перлит пластинчатый + хлопьевидный графит (ХГ) Он обладает высокими твердостью, прочностью и небольшой пластичностью (НВ 235...305, σ_в = 650...680 МПа, δ = 3,0...15%). Для повышения пластичности при сохранении достаточно высокой прочности проводится непродолжительная (2...4 ч) изотермическая выдержка чугуна или замедленное охлаждение при температурах 690...650°С. Это вторая стадия отжига, представляющая собой в данном случае отжиг на зернистый перлит.

В машиностроении широко применяется ферритный ковкий чугун, характеризующийся высокой пластичностью (δ = 10...12%) и относительно низкой прочностью (σ_в = 370...300 МПа). Ферритная основа чугуна образуется при очень медленном прохождении интервала 760...720°С или в процессе изотермической выдержки при 720...700°С. Здесь аустенит и цементит, в том числе и цементит перлита, если перлит успел образоваться, распадается на феррит + хлопьевидный графит. Хлопьевидная форма графита является основной причиной более высокой прочности и пластичности ковкого чугуне по сравнению с серым чугуном (см. табл. 8).

Продолжительность отжига в целом составляет 48...96 ч (длительность второй стадии примерно в 1,5 раза больше, чем первой). Для сокращения продолжительности отжига в расплав перед его разливкой по формам вводится (модифицируют) алюминий (реже бор, висмут и др.), что создает дополнительные искусственные центры образования графита. Согласно ГОСТ 1215-79 выпускают следующие марки ковких чугунов КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12, КЧ45-7, КЧ50-5, КЧ55-4, КЧ60-3, КЧ65-3, КЧ70-2, КЧ80-1,5. Первые две цифры соответствуют минимальному пределу прочности при растяжении (σ_в, кгс/мм²); цифры после тире – относительное удлинение (δ, %)

 

 

 

Рис. 35. График отжига белого чугуна на ковкий

 

Ковкие чугуны применяются для деталей, работающих при ударных вибрационных нагрузках (ступицы, тормозные колодки, коленчатые валы, крюки, картеры редукторов и др.).

Основным недостатком получения КЧ является длительный отжиг отливок и ограничение толщины их стенок (до 50 мм). В массивных деталях в результате замедленного охлаждения при кристаллизации возникает пластинчатый графит (вместо хлопьевидного), который снижает прочность и пластичность чугуна.

Высокопрочные чугуны.Высокопрочный чугун получают при модифицировании (микролегировании жидкого чугуна магнием (0,1...0,5%) или церием (0,2...0,3%). При этом под действием магния графит в процессе кристаллизации принимает не пластинчатую, а шаровидную форму. Микроструктура модифицированного чугуна на ферритной, перлитной, ферритно-перлитной основе приведена на рис. 36, а - в.

 

 

а б в

 

Рис. 36. Структура высокопрочного чугуна:

а – ферритного; б – перлитного; в – ферритно-перлитного

 

Основной причиной высоких механических свойств высокопрочного чугуна (см. табл. 8) является шаровидная форма графита. Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу чугуна, чем пластинчатый графит. В отличие от последнего он не является активным концентратором напряжений.

Согласно ГОСТ 7293-85, отливки изготавливают из высокопрочного чугуна следующих марок: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100 (цифры в обозначении соответствуют минимальному пределу прочности при растяжении σ_в, кгс/мм²)

Высокопрочный чугун имеет высокие механические характеристики, обладает хорошими литейными и технологическими свойствами. Он применяется как новый материал и как заменитель стали, ковкого и серого чугуна с пластинчатым графитом. По сравнению со сталью обладает большей износостойкостью, лучшими антифрикционными и антикоррозионными свойствами, лучшей обрабатываемостью резанием, Вследствие меньшей плотности отливки легче стальных на 8...10%. Из высокопрочного чугуна, в отличие от ковкого, можно отливать детали любого сечения, массы и размеров.

Области применения: в станкостроении – суппорты, резцедержатели, тяжелые планшайбы, шпиндели, рычаги и др.; для прокатного и кузнечно-прессового оборудования – прокатные валки, станины прокатных станов и ковочных молотов, шаботы, траверсы прессов; для других видов оборудования – барабаны тельферов экскаваторов, коленчатые валы и т.д.

Таблица 8

Механические свойства чугунов

Серые чугуны (ГОСТ 1412-85) СЧ10 - - до 190 Ф СЧ15 - - … Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293-85) ВЧ35 … Ковкие чугуны (ГОСТ 1215–79) КЧ30-6 - 100-163 Ф + до10%П …

Порядок выполнения работы

1. Изучить микроструктуру образцов лабораторной коллекции чугунов.

2. Зарисовать схематично микроструктуру белых, серых, ковких чу- гунов, указать структурные составляющие.

3. Привести примеры маркировки чугунов, указать их механические свойства и области применения.

Контрольные вопросы и задания

1. Что называется чугунами?

2. В зависимости от состояния углерода, какими бывают чугуны?

3. Что называется белым чугуном? Какими они бывают по струк- туре? Какими механическими свойствами обладают, и в каких областях применяются БЧ?

4. Какие чугуны называются серыми? Пояснить процесс структу- рообразования и указать химический состав.

5. Привести марки СЧ, назвать их химические свойства и область применения.

6. Какие чугуны называются ковкими? Объяснить способ получе- ния КЧ.

7. Какими бывают по микроструктуре ковкие чугуны? Привести марки ковких чугунов, назвать их механические свойства и область применения.

8. Какие недостатки имеют ковкие чугуны перед другими чугуна- ми?

9. Какие чугуны называются высокопрочными? Объяснить способ получения.

10. Какими бывают по микроструктуре высокопрочные чугуны? Назвать марки высокопрочных чугунов, их свойства, область применения и преимущества перед другими чугунами.

 

Работа № 8

Термическая обработка углеродистых сталей

Цель работы:обоснование выбора параметров и практическое проведение основных видов термической обработки сталей: отжига, нормализации, закалки и… Приборы и оборудование: образцы углеродистых сталей; муфельные печи с…  

Влияние скорости охлаждения на структуру и свойства стали.

    а б

Порядок выполнения работы

По полученным значениям твердости образцов (по Бринеллю) после различных видов термообработки строятся графики: а) зависимости твердости стали от скорости охлаждения, б) зависимости твердости закаленной стали от температуры отпуска.

Результаты измерения твердости и определения микроструктуры

Сталей в зависимости от скорости охлаждения

10. На металлографических микроскопах изучить микроструктуру после каждого вида термообработки, зарисовать ее в отчет и занести в табл. 11,12. 11. По результатам всей группы построить графики влияния скорости охлаждения и… 12. Написать отчет по работе в соответствии с вышеуказанными пунктами задания.

Результаты измерения твердости и определения микроструктуры сталей в зависимости от температуры отпуска

Контрольные вопросы и задания

1. Какие параметры термообработки Вы знаете?

2. В чем заключается перлитное превращение сталей?

3. Почему мартенсит называют пересыщенным твердым раство- ром углерода в Fe_a?

4. Назначение и условия проведения: диффузионного отжига; рек- ристаллизационного отжига.

5. Назначение и условия проведения полного и неполного отжига.

6. Нормализация сталей.

7. Закалка сталей.

8. Отпуск сталей.

9. Какой дефект и почему появляется у стали марки 40 при закалке, если ее недогреть до оптимальной температуры?

10. Почему при закалке стали 40 с температуры 1100°С появляется брак?

 

Работа № 9

Инструментальные стали

Приборы и оборудование: набор микрошлифов в лабораторной коллекции инструментальных сталей, набор твёрдых сплавов, металлографические микроскопы,…   Основные понятия. К инструментальным сталям относят стали, предназначенные для изготовления режущего, измерительного,…

Порядок выполнения работы

1. Изучить виды инструментальных материалов.

2. Указать режимы термической обработки и проанализировать изменение структуры и механических свойств.

3. Привести примеры маркировки и области применения инстру- ментальных материалов, используя коллекцию металлорежущих инструментов.

 

 

Таблица 13

Состав и твердость твердых сплавов

   

Контрольные вопросы и задания

1. Каковы достоинства и недостатки углеродистых инструмен- тальных сталей?

2. Назовите преимущества легированных сталей для режущего инструмента по сравнению с углеродистыми.

3. Укажите марки быстрорежущих сталей.

4. Каким образом достигается упрочнение быстрорежущих сталей?

5. Каким требованиям должна отвечать сталь для штампов дефор- мирования в холодном состоянии? Приведите примеры марок сталей.

6. Укажите стали для штампов горячего деформирования.

7. Что собой представляют твердые сплавы?

8. Назовите классификацию и назначение твердых сплавов.

9. Какие Вы знаете безвольфрамовые твердые сплавы?

 

Работа № 10

Медные и антифрикционные сплавы

Приборы и оборудование: коллекция изделий из медных и антифрикционных сплавов. Основные свойства меди.Медь – металл красного (светло-розового) цвета с… Широкое применение меди обусловлено рядом её ценных свойств и прежде всего высокой электро-и теплопроводностью. Медь…

Химический состав и механические свойства

  Таблица 15

Механические свойства и область применения

Марка латуни σв, МПа δ, % HB Область применения ЛЦ40С   … В двухфазных α+β-латунях пластичность резко снижена, поэтому они… Повышение содержания цинка удешевляет латуни, улучшает их обрабатываемость резанием, способность прирабатываться и…

Химический состав и механические свойства оловянных бронз

Алюминиевые бронзывытесняют оловянистые, так как по многим свойствам их превосходят и занимают в промышленности первое место по объему использования… Однофазные бронзы (БрА5, БрА7) имеют хорошую пластичность и относятся к… В табл. 17 приведен химический состав и указано назначение алюминиевых бронз.

Химический состав и назначение алюминиевых бронз

Кремнистые бронзыхарактеризуются хорошими механическими, упругими и антифрикционными свойствами. По механическим свойствам они превосходят оловянные… Кремнистые бронзы содержат до 3% кремния. При содержании кремния более 3% эти… Кремнистые бронзы выпускают в виде ленты, полос, прутков, проволоки. Для фасонных отливок они применяются редко. Их…

Порядок выполнения работы

1. Изучить виды медных и антифрикционных сплавов и их свойства.

2. Привести примеры маркировки меди, латуней, бронз и антифрикционных сплавов, указать области их применения используя коллекцию изделий.

 

Контрольные вопросы и задания

1. Назовите основные свойства и области применения меди.

2. Как классифицируются и маркируются медные сплавы?

3. Какими свойствами обладают латуни? Укажите их назначение.

4. Назовите маркировку, свойства и назначение оловянных бронз.

5. Как маркируются и каково значение алюминиевых и кремниевых бронз?

6. В каких случаях используют бериллиевую бронзу?

7. Каково назначение антифрикционных сплавов? Как они маркируются?

 

Таблица 18

Химический состав и назначение баббитов

  Примечание: Во всех сплавах, кроме Б89 и Б83, основа – свинец.  

Библиографический список

1. Материаловедение: учебник для ВУЗов/ Б.Н. Арзамасов, В.И.Макарова, Г.К. Мухин и др., под общ. ред. Б.Н. Арзамасова – 3-е изд., перераб. и доп. –… 2. Лахтин Ю.М. Материаловедение: учебник для высших технических учебных… 3. Солнцев Ю.П. Материаловедение: учебник для вузов/ Ю.П.Солнцев, Е.И. Пряхин. – 3-е изд., перераб. и доп. – СПб.:…