МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Минобрнауки России

 

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный

инженерно-экономический университет»

 

Кафедра управления качеством и машиноведения

 

 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Методические указания к лабораторным работам для студентов всех форм обучения    

Санкт-Петербург

редакционно-издательским советом СПбГИЭУ в качестве методического издания

Содержание

 

 

Введение. 4

№1. Атомно-кристаллическая структура металлов. 5

№2. Основные потребительские свойства промышленных материалов 6

№3. Фазово-структурные состояния сплавов. 7

№4. Стали и чугуны как основные материалы производства техники. 8

№5. Управление структурой и свойствами металлических материалов 9

№6. Структура и свойства цветных металлов и сплавов. 10

№7. Структура и свойства неметаллических материалов на органической основе 11

№8. Структура и свойства неметаллических материалов на неорганической основе 12

Рекомендуемая литература. 13

Приложение А. Индивидуальное задание к работе №2. 14

Приложение Б. Ориентировочный перевод значений твердости. 15

Приложение В. Упрощенная диаграмма состояния сплавов железо-цементит 16

Приложение Г. Индивидуальное задание к работе №3. 17

Приложение Д. Индивидуальное задание к работе №4. 18

Приложение Е. Индивидуальное задание к работе №5. 19

Приложение Ж. Индивидуальное задание к работе №6. 20

Введение

Лабораторные работы по дисциплине «Материаловедение» проводятся в соответствии с действующими рабочими программами для спец. 080502(1), 190603 и 220501.

Лабораторные работы способствуют усвоению и закреплению студентами практических знаний, полученных из лекционного курса и рекомендуемой для самостоятельного изучения литературы.

Цель всех лабораторных работ – изучение взаимосвязи структуры и свойств промышленных материалов.

Перед началом выполнения лабораторных работ необходимо:

1. Взять в библиотеке рекомендуемую литературу (выбор учебного пособия [2] или [3] осуществляется по указанию преподавателя в зависимости от объема часов, предусмотренных для изучения дисциплины).

2. Ознакомиться с правилами вычислений – см. [4] с. 5-24.

3. Повторить кратные и дольные приставки к физическим единицам – см. [3] с. 149 или [4] с. 24.

4. Изучить правила техники безопасности в лаборатории – см. [3] с. 38-39.

5. Подготовиться к очередному занятию, изучив литературу и ответив на контрольные вопросы.

Выполнению каждой лабораторной работы предшествует индивидуальная проверка знаний студента путем ответа на контрольные вопросы. К лабораторной работе допускаются только подготовленные студенты.

Оформлять отчет следует в подписанной (Ф.И.О., № группы) рабочей тетради студента.

Выбор индивидуального задания к лабораторным работам осуществляется по номеру студента в списке группы у преподавателя.

 

 

Лабораторная работа №1

Атомно-кристаллическая структура металлов

 

Цель работы: Изучение атомно-кристаллической структуры металлов.

 

Порядок выполнения работы

2. Сформулировать и записать ответы на контрольные вопросы. 3. Изучить коллекцию моделей кристаллических решеток. 4. Зарисовать ОЦК, ГЦК и ГПУ решетки; привести примеры металлов, имеющих такие кристаллические решетки.

Контрольные вопросы к работе №1

1. Назовите основные типы кристаллических решеток, приведите примеры металлов, имеющих ту или иную решетку.

2. Что характеризует координационное число, каково оно у основных типов кристаллических решеток?

3. Что такое кристаллографическая анизотропия, с чем она связана?

4. Чем вызвана анизотропия свойств поликристаллических материалов?

5. Назовите три типа дефектов микроструктуры.

6. Что представляют собой точечные дефекты, какова их обычная и максимальная концентрация?

7. Что представляют собой линейные дефекты, какова их концентрация?

8. Что представляют собой поверхностные дефекты, чем они обусловлены?

9. Что представляют собой «усы», какими уникальными свойствами они обладают?

10. Назовите два пути повышения прочности металлов за счет изменения плотности дефектов кристаллической решетки.

Лабораторная работа №2

Основные потребительские свойства промышленных

Материалов

Цель работы: Изучение методов определения механических свойств материалов.

 

Порядок выполнения работы

2. Сформулировать и записать ответы на контрольные вопросы. 3. Под руководством преподавателя выполнить испытания на растяжение, твердость… 4. Нарисовать схемы испытания на растяжение, твердость и ударную вязкость – см. [2] с. 18, рис. 13.1; с. 21-23, рис.…

Контрольные вопросы к работе №2

1. Что такое механические свойства и механические испытания?

2. Какие испытания называют статическими, а какие динамическими, что они характеризуют? Приведите примеры.

3. Напишите формулы и дайте определения (по [2] или [3]) основным прочностным и пластическим характеристикам (σ_в, σ₀₂, δ и Ψ), определяемым при испытании на растяжение. Что характеризуют эти величины?

4. Что характеризует модуль упругости (модуль Юнга) материала и как его определить по диаграмме растяжения?

5. Что такое твердость?

6. Назовите три основных метода определения твердости, укажите как они реализуются.

7. Твердость каких материалов определяют по методу Бринелля, Роквелла (по шкалам А, С, В) и Виккерса?

8. Как определяют ударную вязкость при изгибе, что она характеризует? Напишите формулу для расчета KCU.

9. Какие виды образцов используют при определении ударной вязкости, в каких случаях они используются?

10. Что такое усталость и выносливость металлов, как ее определяют и обозначают?

 

Лабораторная работа №3

Фазово-структурные состояния сплавов

Цель работы: Изучение фазового состава железоуглеродистых сплавов.

 

Порядок выполнения работы

2. Сформулировать и записать ответы на контрольные вопросы. 3. Скопировать в тетрадь упрощенную диаграмму состояния сплавов… 4. Для заданного состава (см. Приложение Г), пользуясь правилом фаз, нарисовать (справа от диаграммы состояния) кривую…

Контрольные вопросы к работе №3

1. Какие полиморфные превращения испытывает железо при нагревании и охлаждении?

2. Какие фазы и структуры имеются на диаграмме железо-цементит (сформулируйте определения)?

3. Какими свойствами обладают феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит?

4. Что характеризуют и где находятся линии ликвидуса и солидуса, эвтектика и эвтектоид?

5. Какие превращения происходят при охлаждении от жидкого состояния до комнатной температуры в доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных сплавах?

6. Сформулируйте правило фаз.

7. Сформулируйте правило отрезков.

 

 

Лабораторная работа №4

Стали и чугуны как основные материалы

Производства техники

Цель работы: Изучение классификации и маркировки железоуглеродистых сплавов.

 

Порядок выполнения работы

2. Сформулировать и записать ответы на контрольные вопросы. 3. Изучить коллекцию сталей и чугунов. 4. Зарисовать структуру доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной углеродистой стали.

Контрольные вопросы к работе №4

1. Что называют сталью и чугуном, какие области соответствуют им на диаграмме железо-цементит?

2. Как зависят свойства железоуглеродистых сплавов от содержания углерода?

3. Постоянные и вредные примеси, их влияние на качество стали.

4. Влияние легирующих элементов на диаграмму состояния и свойства сталей.

5. Структурные классы легированных сталей.

6. Цели легирования.

7. Классификация сталей по назначению, составу и качеству.

8. Классификация сталей по содержанию углерода.

9. Классификация сталей по содержанию легирующих элементов.

10. Принципы маркировки углеродистых и легированных сталей (конструкционных и инструментальных).

11. Строение и свойства твердых сплавов, принципы маркировки.

12. Классификация, способы получения и маркировка чугунов.

 

Лабораторная работа №5

Управление структурой и свойствами

Металлических материалов

 

Цель работы: Изучение методов управления структурой и свойствами сплавов.

 

Порядок выполнения работы

2. Сформулировать и записать ответы на контрольные вопросы. 3. Представить в виде схемы классификацию методов управления структурой и… 4. Расшифровать марку стали из индивидуального задания (см. Приложение Е); выбрать и обосновать режим обработки (по…

Контрольные вопросы к работе №5

1. Основные виды термообработки и их назначение.

2. Температурные интервалы нагрева при различных видах термообработки.

3. Способы поверхностной закалки.

4. Предварительная и окончательная термообработка.

5. Разновидности химико-термической обработки и достигаемые ими цели.

6. Термомеханическая обработка и ее разновидности.

7. Разновидности деформационной обработки.

 

 

Лабораторная работа №6

Структура и свойства цветных металлов и сплавов

Цель работы: Изучение структуры, свойств и маркировки цветных металлов и сплавов.

 

Порядок выполнения работы

2. Сформулировать и записать ответы на контрольные вопросы. 3. Дать классификацию методов управления структурой и свойствами цветных… 4. Изучить коллекцию цветных металлов.

Контрольные вопросы к работе №6

1. Принципы маркировки, структура, свойства и область применения магния, алюминия, титана, меди, тугоплавких металлов и сплавов на их основе.

2. Классификация цветных металлов и сплавов по способу формообразования.

3. Термическая обработка цветных металлов и сплавов.

4. Классификация тугоплавких сплавов по составу.

5. Принципы маркировки, структура, свойства и область применения антифрикционных сплавов на основе цветных металлов.

 

Лабораторная работа №7

Структура и свойства неметаллических материалов

На органической основе

 

Цель работы: Изучение структуры, свойств и области применения материалов на органической основе.

 

Порядок выполнения работы

2. Сформулировать и записать ответы на контрольные вопросы. 3. Представить в виде схемы классификацию материалов на органической основе. … 4. Рассмотреть влияние структуры на свойства полимеров.

Контрольные вопросы к работе №7

1. Какие органические вещества относят к полимерам?

2. Классификация полимеров по происхождению, составу, фазовому состоянию, строению макромолекул, полярности молекул, отношению к нагреву.

3. Какие материалы называют пластмассами, что может входить в их состав?

4. Классификация пластмасс по составу связующего и отношению к нагреву, виду наполнителя, применению.

5. Что такое стеклопластики? Назовите их состав, свойства и применение. Как влияет вид наполнителя и связующего на физико-механические свойства стеклопластиков?

6. Какими положительными и отрицательными свойствами обладают пластмассы?

7. В чем состоит экономическая эффективность применения пластмасс?

 

 

Лабораторная работа №8

Структура и свойства неметаллических материалов

На неорганической основе

 

Цель работы: Изучение структуры, свойств и области применения материалов на органической основе.

 

Порядок выполнения работы

1. Изучить литературу: [1] с. 504-520; [3] с. 124-128.

2. Сформулировать и записать ответы на контрольные вопросы.

3. Изучить коллекцию неметаллических материалов на неорганической основе.

4. Представить в виде схемы классификацию неорганических материалов.

Контрольные вопросы к работе №8

1. Каковы особенности строения графита и его важнейшие свойства. Как зависит прочность графита от температуры?

2. Назовите области применения технического и пиролитического графита.

3. Опишите состав, разновидности, свойства и применение неорганического технического стекла. Какими способами повышают качество стекла?

4. Что такое ситаллы? Укажите способы их получения, разновидности, свойства и применение.

5. Что представляет собой техническая керамика? Укажите ее разновидности и область применения.

6. Дайте сравнительную оценку свойств керамики на основе чистых оксидов.

7. Какие существуют разновидности бескислородной керамики? Укажите ее свойства и область применения.

 

Рекомендуемая литература

 

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – М.: ИД Альянс, 2009. – 528 с.

2. Сапунов С.В. Материаловедение: Текст лекций. – СПб.: СПбГИЭУ, 2006. – 66 с.

3. Сапунов С.В. Основы материаловедения: Учеб. пособие. – СПб.: СПбГИЭУ, 2010. – 155 с.

4. Сапунов С.В. Методы обработки экспериментальных результатов: Методические указания к выполнению лабораторных работ. – СПб.: СПбГИЭУ, 2005. – 40 с.

 

 

Приложение А

Индивидуальное задание к работе №2

№ п/п	Испытание на растяжение	Испытание на твердость	Определение ударной вязкости при изгибе
d1, мм	Р, кГ	D, мм	d, мм	β, град.	α, град.
	4,45			3,94
	4,46			2,00
	4,47	187,5	2,5	1,02
	4,48			3,93
	4,49			1,99
	4,50	187,5	2,5	1,01
	4,51			3,92
	4,52			1,98
	4,53	187,5	2,5	1,00
	4,54			3,91
	4,55			1,97
	4,54	187,5	2,5	0,99
	4,57			3,90
	4,58			1,96
	4,59	187,5	2,5	0,98
	4,60			3,89
	4,61			1,95
	4,62	187,5	2,5	0,98
	4,63			3,88
	4,64			1,94
	4,63	187,5	2,5	0,97
	4,62			3,89
	4,61			1,95
	4,60	187,5	2,5	0,98
	4,59			3,90
	4,58			1,96
	4,57	187,5	2,5	0,99
	4,56			3,91
	4,55			1,97
	4,54	187,5	2,5	1,00

 

Приложение Б

Ориентировочный перевод значений твердости

По методу Бринелля, Роквелла и Виккерса

Приложение В

Упрощенная диаграмма состояния сплавов железо-цементит

Приложение Г

Индивидуальное задание к работе №3

№	С, %	t оС
	0,01
	0,05
	0,10
	0,15
	0,20
	0,25
	0,30
	0,35
	0,40
	0,45
	0,50
	0,55
	0,60
	0,65
	0,70
	0,75
	0,80
	0,85
	0,90
	0,95
	1,00
	1,05
	1,10
	1,15
	1,20
	1,25
	1,30
	1,35
	1,40
	1,45

 

 

Приложение Д

Индивидуальное задание к работе №4

№ п/п	Расшифровать марки материалов и указать область применения
	Ст1кп	60С2ХФА	ХВ4	СЧ 10
	60Г	АС30ХМ	Р18	ЧН15Д7
		ШХ15	ВК3	КЧ 37-12
	А40Г	60С2Н2А	11Х	ВЧ 85
	Ст3	12Х18Н9	Р9	ЧН11Г7Ш
		20Х13	Р12Ф3	КЧ 35-10
		АЦ45Х	В2Ф	СЧ 21
	У8	36Х18Н25С2	11Р3АМ3Ф2	ВЧ 40
	БСт5	65С2ВА	Р2АМ9К5	ЧС15
		0Х14Г12М	4Х2В5МФ	КЧ 33-8
	У8А	ШХ15СГ	3Х2В8Ф	ВЧ 45
	У9	АЦ40Г	Т15К6	ЧС5
	65Г	60Х5Г10Л	4Х5В2ФС	ВЧ 50
	Ст0кп	20Х2Н4А	Р6М5	КЧ 30-6
	У10А	15Х25Т	4Х3ВМФ	ВЧ 38-17
	У11	АС12ХН	5ХГМ	СЧ 35
	10кп	0Х14АГ12	Р18К5Ф2	ВЧ 100-4
	А20	60С2ХФА	5ХНМ	ЧХ28
	У12А	18ХГТ	ХВСГ	СЧ 25
		АЦ40Г2	11Р3АМ3Ф2	АЧС-3
	ВСт3пс	ШХ4	7ХГ2ВМ	ВЧ 80-3
	05кп	55С2А	Р9К5	ВЧ 60
		110Г13Л	Х12М	АЧВ-1
	А12	12Х17	Р9М4К8	ЧН19Х3Ш
	У13А	АС38ХГМ	Х12Ф1	СЧ 24
	Ст1пс	30Х10Г10	9ХС	ЧС15М4
		50С2	Х	ВЧ 60-2
	08кп	АЦ20ХН3	11ХФ	СЧ 18
		25Н25М4Г1	ВК8	АЧС-1
	ВСт6пс	03Н10Х11М2Т	ТТ7К12	АЧВ-1

 

Приложение Е

Индивидуальное задание к работе №5

№ п/п	Марка стали	Требуемые свойства
	ВСт3	Снижение уровня внутренних напряжений после сварки
	60Г	Высокие упругие свойства
		Стойкость к ударным нагрузкам
	А12	Улучшение обрабатываемости резанием
	У8	Высокая твердость и износостойкость
		Повышенная пластичность для вытяжки
		Высокая износостойкость поверхности и стойкость к динамическим нагрузкам
	ШХ20ГС	Высокая твердость и износостойкость
	30ХГСНА	Предел прочности до 1400 МПа
	05кп	Повышенная жаростойкость поверхности
	30ХГСА	Предел прочности до 2800 МПа
	У8ГА	Сочетание прочностных и пластических свойств
	У13А	Устранение видманштеттовой структуры
	30Х	Устранение крупнозернистой структуры после литья
		Стойкость к динамическим нагрузкам и высокая твердость поверхности, сохраняющаяся до 600 оС
	08Х17Т	Повышенная жаростойкость поверхности
		Высокая коррозионная стойкость в морской воде и повышенная износостойкость
	40ХНМА	Предел текучести до 2000 МПа
	40ХН	Повышение твердости, износостойкости и предела выносливости особо крупных деталей
	35ХН	Снижение внутренних напряжений в крупной отливке
		Повышенная твердость, износостойкость и выносливость
	65Г	Снятие наклепа после холодного деформирования
		Стойкость против абразивного износа, твердость до НВ 2000
	35ХН	Снижение химической неоднородности (ликвации) крупной отливки
	ВСт1	Жаростойкость до 850-900 оС
	40Х	Сочетание высоких прочностных и пластических свойств
	65Г	Повышение поверхностной твердости и предела выносливости крупных пружин и рессор
	40ХН	Предел прочности до 2200 МПа
	08кп	Повышение коррозионной стойкости поверхности с улучшением декоративных свойств
	Р6М5	Повышение поверхностной твердости до НВ 900

Приложение Ж

Индивидуальное задание к работе №6

№ п/п	Расшифровать марки материалов и указать область применения
	ВН2	Д1	МЛ12	Б88
	ВТ5	АЛ2	М00	АО20-1
	ВТ14С	Д16	Л70	ЦАМ 10-5
	А999	АЛ4	ЛАЖ60-1-1	Б83
	ВТ1-00	АВ	М0	АН-2,5
	А995	АЛ9	МА1	Б88
	А0	МГ90	БрОЦ4-3	ЦАМ 9,5-1,5
	ВН4	В95	ЛЦ40Мц1,5	БН
	ВТ5-1	АМг6	М1	БрОЦ4-3
	А99	АЛ7	БрА10Ж3Мц2	ЦАМ 10-5
	ВТ5Л	МГ95	Л59	БК2Ш
	ВТ8	АК6	БрОФ6,5-0,4	Б16
	А5	МГ96	М2	БрОЦ4-3
	ВТ1-0	АЛ19	БрОЦС4-4-2,5	АММгК-1
	А97	МЛ5	БрА9Ж3Л	ЦАМ 9,5-1,5
	ЦМ2А	АК8	МА2-1	БрО3Ц12С5
	ОТ4	АЛ8	БрО3Ц12С5	БС6
	А6	МЛ6	БрА10Ж3Мц2	БН
	ВТ6Л	АК4-1	Л60	АО3-1
	АД1	АЛ27	БрО5ЦНС5	БКА
	А7	АЛ1	БрКМц3-1	БрО3Ц12С5
	ЦМ6	Д20	МА14	БК2
	ВТ6	АМц	БрО4Ц4С17	АН-2,5
	А8	АЛ21	ЛС59-1	БрС30
	ВТ14Л	АМг2	М3	БКА
	А95	АЛ33	Л96	АММгК-1
	ВМ3	АМг3	БрБ2	АО3-1
	ВТ14	АМг5	БрАЖ9-4	Б83
	ВБД-1П	АМг6	ЛЦ30А3	АММгК-1
	ЛБС-1	АЛ19	ЛЦ40С	АО20-1