МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Белгородский государственный технологический университет

им. В.Г. Шухова

 

 

А.А. Стативко, Е.В. Шопина, А.С. Кунин

 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

 

Учебное пособие для студентов заочной формы обучения

с применением дистанционных технологий специальности

270101 – Механическое оборудование и технологические комплексы предприятий строительных материалов, изделий и конструкций

 

Белгород 2010

УДК 620.22 (075)

ББК 30.3я7

С 78

 

 

Стативко А.А., Шопина Е.В., Кунин А.С.

Пособие содержит описание лабораторных работ по курсу «Материаловедение». В теоретических сведениях рассмотрены свойства металлов, современные… Учебное пособие предназначено для студентов заочной формы обучения с…  

Содержание

 

Лабораторная работа №1………………………………………………4

 

Лабораторная работа №2………………………………………………16

 

Лабораторная работа №3………………………………………………24

 

Лабораторная работа №4………………………………………………37

 

Лабораторная работа №5………………………………………………45

 

Лабораторная работа №6………………………………………………56

 

Контрольные тесты…………………………………………………….70

 

Библиографический список……………………………………………83

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Измерение твердости металлов

 

Цель работы: изучить устройство приборов для определения твердости металлов, научиться пользоваться приборами по измерению твердости металлов.

Приборы и оборудование: пресс Бринелля, пресс Роквелла, отсчетный микроскоп для определения диаметра отпечатка, образцы сталей, чугунов и цветных металлов.

Краткие сведения из теории

Под твердостью металла при вдавливании понимается его сопротивление местной пластической деформации при контактном приложении нагрузки. Наиболее широкое распространение в машиностроительной промышленности получили…  

Определение твердости по Бринеллю

Схема испытания на твердость по Бринеллю дана на рис. 1. В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток… Диаметр отпечатка измеряют специальным отсчетным микроскопом МПБ-2, на окуляре которого нанесена шкала с делениями,…

Практика определения твердости по Бринеллю

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

Определение твердости по Роквеллу

Определение твердости на приборах типа ТК осуществляется вдавливанием алмазного конуса или стального шарика (метод Роквелла) с определением… При измерении твердости металлов по Роквеллу (ГОСТ 9013-59) наконечник…  

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.

1. Что такое твердость?

2. Методы определения твердости.

3. Сущность определения твердости по Бринеллю.

4. Режимы для определения твердости по Бринеллю.

5. Недостатки измерения твердости по Бринеллю.

6. Сущность определения твердости по Роквеллу.

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

8. Единицы измерения твердости по Бринеллю.

Приложение 1

Таблица сопоставления чисел твердости, определяемых различными методами

 

По Роквеллу	По Бринелю НВ	По Роквеллу	По Бри нелю НВ	По Роквеллу	По Бринелю НВ
HRC	HRA	HRB	HRC	HRA	HRB	HRC	HRA	HRB
		-				-		-	-
		-				-		-	-
		-				-		-	-
		-				-		-	-
		-				-		-	-
		-				-		-	-
	-	-				-		-	-
		-				-		-	-
	-	-				-		-	-
		-				-		-	-
	-	-						-	-
		-						-	-
	-	-						-	-
		-						-	-
		-						-	-	-
	-	-						-	-	-
		-						-	-	-
	-	-		-				-	-	-
		-		-				-	-	-
	-	-		-				-	-	-
		-		-				-	-	-
		-		-				-	-	-
	-	-		-				-	-	-
		-		-				-	-	-
		-		-				-	-	-
		-		-				-	-	-
	-	-		-				-	-	-
		-		-				-	-	-
		-		-				-	-	-
		-		-				-	-	-
	-	-		-				-	-	-
		-		-				-	-	-
		-		-				-	-	-
		-		-	-			-	-	-
		-		-	-			-	-	-
		-		-	-			-	-	-

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

Влияние холодной пластической деформации на структуру и свойства стали

 

Цель работы: а) изучить влияние холодной пластической деформации на структуру и свойства (твердость) малоуглеродистой стали; б) изучить влияние температуры нагрева на структуру и свойства (твердость) холоднодеформированной малоуглеродистой стали.

Приборы и оборудование: набор готовых микрошлифов, твердомеры, штангенциркуль.

 

Пластическая деформация и рекристаллизация

Явления, возникающие в металле при пластической деформации, многообразны. Условно их можно разделить на три группы: а) изменение формы и размеров кристаллов (зерен); б) изменение их кристаллографической пространственной ориентировки;

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 положений.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

Диаграммы состояния железо-углеродистых сплавов

 

Компоненты и фазы в системе железо – углерод

Железо – металл сероватого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус 0,127 нм. Температура плавления железа 1539°С. Железо имеет… Углерод является неметаллическим элементом II периода IV группы периодической… Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения –…

Диаграммы состояния железо-углеродистых сплавов

Существует две диаграммы железоуглеродистых сплавов: железо-цементит и железо-графит. Эта двойственность обусловлена тем, что в зависимости от… Цементит является неустойчивым химическим соединением, которое в случае… Однако диаграмму состояний железоуглеродистых сплавов изображают двумя системами линий: сплошными, отражающими…

Кристаллизация сплавов Fe-Fe3C

  .  

Вопросы для повторения раздела

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 у чугуна зависят от содержания углерода и температуры?

5. Определите содержание углерода в структурных составляющих сплава, содержащего 1,3% С, при температуре 800°С.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

Изучение структуры и свойств углеродистых сталей в

Равновесном состоянии

Оборудование и материалы: 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, соответствующую сталям. 2. На диаграмме состояния Fe-Fe3C провести вертикальные линии,… 3. Изучить и зарисовать микроструктуру доэвтектоидных, эвтектоидной 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 углеродистых сталях?

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

5. Как определяется содержание углерода в сталях по микроструктуре?

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 применение?

10. Как маркируются углеродистые инструментальные стали, их применение?

11. Какие стали называются автоматными, их маркировка и применение?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

Изучение структуры и свойств чугунов

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

Белые чугуны

Фазовые превращения в этих чугунах протекают согласно метастабильной диаграмме Fе-Fe3С (см. рис. 14). По структуре белые чугуны делятся на следующие… а) Доэвтектические, содержащие от 2,14 до 4,3% С. Они состоят из перлита,… б) Эвтектические, содержащие 4,3% С. Они состоят из эвтектики – ледебурита, представляющего собой механическую смесь…

Серые чугуны

Содержание углерода в серых чугунах обычно колеблется в пределах 2,5...4%, при этом до 0,83% углерода находится в химически связанном с железом… Кремний способствует процессу графитизации, уменьшает усадку, кремний входит в… Марганец увеличивает склонность чугуна к сохранению цементита, а, следовательно, и увеличивает твердость 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…  

Легированные чугуны

Легированные чугуны подвергаются термической обработке для обеспечения необходимых свойств и структуры. Важным свойством легированных чугунов является сопротивление износу. В качестве антифрикционных используются чугуны по ГОСТ 1585-85. Они предназначены для изготовления деталей, работающих…

Контрольные вопросы

1. Что называется чугунами?

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

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

4. Какие чугуны называются серыми? Пояснить процесс структурообразования и указать химический состав.

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

6. Какие чугуны называются ковкими? Объяснить способ получения 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 чугунами?

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.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

Термическая обработка углеродистых сталей

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

Основные понятия

Цель термической обработки – придание стали требуемых свойств за счет изменения ее структуры.

Основные параметры термической обработки следующие: скорость нагрева, оптимальная температура нагрева, время выдержки при этой температуре, скорость охлаждения.

Основными из них являются два параметра: оптимальная температура нагрева и скорость охлаждения. В зависимости от них различают следующие виды термической обработки стали: отжиг, нормализация, закалка и отпуск, схема проведения, которых для доэвтектоидной стали, представлена на рис. 21.

 

 

Рис. 21. Схема основных видов термообработки

Из рис. 21 видно, что при осуществлении первых трех видов термообработки (отжига, нормализации и закалки) доэвтектоидную сталь нагревают во всех случаях одинаково, т.е. до аустенитного состояния.

Следовательно, определяющим параметром в этом случае является скорость охлаждения, влияние которой и рассматривается ниже.

 

Влияние скорости охлаждения на структуру и свойства стали

  а) б)

Перлитное превращение

Дисперсность перлитных структур оценивается межпластинчатым расстоянием S соседних пластинок феррита и цементита (рис. 23). Чтобы не спутать цементит с ферритом используют специальный травитель – пикрат…  

Промежуточное (бейнитное) превращение

Бейнит, образовавшийся при температурах 400–550°С называется верхним бейнитом, он имеет перистое строение с худшими механическими свойствами… При более низких температурах (ниже 400°C) образуется нижний бейнит, он имеет…  

Мартенситное превращение аустенита

Мартенсит – это пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Feα Мартенсит образуется только из аустенита в результате сильного переохлаждения… Мартенситные пластины (иглы) образуются почти мгновенно, со скоростью более 1000 м/с, только в пределах аустенитного…

Виды термической обработки

Термической обработкой называется такая технологическая операция, при которой путем нагрева сплава до определенной температуры, выдержке при этой… Термическая обработка проводится обычно в тех случаях, когда наблюдаются: 1) полиморфные превращения;

Отжиг стали

1) исправление структуры после горячей обработки (ковки, литья); 2) снижение твердости для облегчения обработки резанием; 3) снятие внутренних напряжений;

Нормализация стали

Цель нормализации – измельчение зерна, улучшение механических свойств, подготовка структуры для окончательной обработки (закалки и отпуска). По сравнению с отжигом, скорость охлаждения при нормализации значительно выше,… Нормализация, как вид термической обработки, применяется главным образом для низкоуглеродистых строительных сталей.…

Закалка стали

Цель закалки – повышение твердости, прочности и износостойкости стали за счет получения структуры мартенсита, имеющего характерное игольчатое… Для превращения аустенита в мартенсит скорость охлаждения должна быть больше… Критической скоростью закалки называется наименьшая скорость охлаждения, при которой весь аустенит переохлаждается до…

Отпуск стали

Нагрев стали при отпуске облегчает переход из метастабильного состояния пересыщенного a-твердого раствора в более устойчивое. При отпуске с повышением температуры в закаленной стали происходит выделение… С повышением температуры отпуска предел прочности и твердость понижаются, а пластичность и ударная вязкость растут. …

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.

Контрольные вопросы

1. Какие параметры термообработки Вы знаете?

2. В чем заключается перлитное превращение сталей?

3. Почему мартенсит называют пересыщенным твердым раствором углерода в Fe_a?

4. Назначение и условия проведения: диффузионного отжига; рекристаллизационного 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?

Контрольные тесты

Общая характеристика материалов Атомно-кристаллическое строение металлов Пластическая деформация металлов

Ответы на тест

1 – г 2 – в 3 – в

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.:…