ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

ПО КУРСУ

«ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»

 

 

Для студентов, бакалавров и магистрантов

физического факультета

 

Оренбург 2010

 

Печатается по решению редакционно-

издательского совета физического факультета

Оренбургского государственного университета

 

УДК 621.7

ББК 30.6

 

 

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Физическое материаловедение» для студентов, бакалавров и магистрантов физического факультета.- Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2010.- 84 с.

 

 

Составители:

 

Г.В. Клевцов, доктор технических наук, профессор

Н.А. Клевцова, кандидат технических наук, доцент

 

 

Методические указания предназначены для выполнения лабора­торных работ по курсу «Физическое материаловедение» для студентов, бакалавров и магистрантов физического факультета дневной формы обучения

 

© ГОУ ОГУ, 2010

© Клевцов Г.В., 2010

© Клевцова Н.А., 2010

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа 1	КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ …………………….
Лабораторная работа 2	МАКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ (МАКРОАНАЛИЗ)………………………………
Лабораторная работа 3	МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ (МИКРОАНАЛИЗ) ..…………………………….
Лабораторная работа 4	ФРАКТОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ………….
Лабораторная работа 5	ИСПЫТАНИЕ НА ТВЕРДОСТЬ ПО БРИНЕЛЛЮ И РОКВЕЛЛУ ..……………….....
Лабораторная работа 6	ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ ..………..
Лабораторная работа 7	ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ РЬ-SЬ ТЕРМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ ………….
Лабораторная работа 8	МИКРОАНАЛИЗ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ ……………
Лабораторная работа 9	МИКРОАНАЛИЗ УГЛЕРОДИСТЫХ ЧУГУНОВ …..…………………………………..
Лабораторная работа 10	ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ……..
Лабораторная работа 11	ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛА НА ВЕЛИЧИНУ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ ………………..
Лабораторная работа 12	ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ НА ТВЕРДОСТЬ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ .........
Лабораторная работа 13	ЗАКАЛКА И ОТПУСК УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ..…………………………………………
Лабораторная работа 14	ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ СТАЛИ МЕТОДОМ ТОРЦЕВОЙ ЗАКАЛКИ ...
Лабораторная работа 15	ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА НА ТВЕРДОСТЬ ТЕРМООБРАБОТАННОЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СТАЛИ ………..…...
Лабораторная работа 16	МИКРОСТРУКТУРА И ТВЕРДОСТЬ СТАЛИ ПОСЛЕ ЦЕМЕНТАЦИИ .....................................
Лабораторная работа 17	ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДУРАЛЮМИНА ……………………………......
Литература ……………………………………………………………………..

Лабораторная работа 1

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

И СПЛАВОВ

 

Цель работы:

Ознакомиться с типами кристаллических решеток металлов и сплавов, дефектами кристаллического строения и видами твердых растворов.

 

Приборы, материалы и инструмент

1. Модели основных типов кристаллических решеток металлов и твердых растворов.

 

Краткие теоретические сведения

Кристаллическое строение металла можно представить как постройку в виде ионов, между которыми движутся свободные электроны. Электростатические силы… Чистые металлы имеют одну из нижеуказанных видов кристаллической решетки:…  

Задание

1. Плоскость в кубическом кристалле отсекает на координатных осях отрезки, равные а; 2в; с. Определить кристаллографические индексы плоскости (hkl)?

 

2. Постройте пространственное изображение плоскостей (на примере куба), имеющих кристаллографические индексы (110); (111); (112); (321); (1^-10); (^-111); (^-1^-1^-1).

 

3. Определите символ направления, проходящего через точки (0,в/3,с/3).

 

4. Постройте пространственное изображение следующих направлений в кубе [100]; [010]; [001]; [^-100]; [0^-10]; [00^-1]; [110]; [101]; [011]; [111]; [^-111]; [1^-11]; [11^-1]; [^-1^-11]; [^-11^-1]; [1^-1^-1]; [^-1^-1^-1]; [211]; [311].

 

5. Переведите трехосные символы атомных плоскостей (1^-10); (110); (^-101); (011); (01^-1); (0^-1^-1); (111); (^-111); (1^-11); (11^-1); (^-1^-1^-1) в четырехосные и постройте изображение этих плоскостей в гексагональной призме.

 

6. Переведите трехосные символы направлений [1^-10]; [110]; [^-101]; [011]; [01^-1]; [0^-1^-1]; [111]; [^-111]; [1^-11]; [11^-1]; [^-1^-1^-1] в четырехосные и постройте изображение этих направлений в гексагональной призме.

 

7. Подсчитайте координационное число для ОЦК и ГЦКи ГПУ решеток.

 

8. Определите число атомов, приходящееся на элементарную ГЦК-, ОЦК- и ГПУ ячейки.

9. Определите и схематично изобразите, как направлены вектор скорости и вектор Бюргерса по отношению к линии краевой и винтовой дислокации.

 

10. Рассчитайте, чему равна величина сдвига в кристаллической решетке при движении дислокации с вектором Бюргерса в = а/2 [1 1 1]?

 

11. Написать отчет по работе в соответствии с пунктами задания.

Контрольные вопросы

1. Сколько типов элементарных ячеек Бравэ известны сегодня? Какие из них наиболее характерны для металлов?

2. Что такое кристаллографические символы? Опишите схему определения символа атомной плоскости в кристалле.

3. Какие виды точечных дефектов существуют в кристаллах? На какие расстояния распространяется искажение, вызванное точечным дефектом?

4. Как изменяется равновесная концентрация вакансий при повышении температуры?

5. Почему дислокации называются линейными дефектами?

6. По какому признаку дислокации подразделяют на краевые и винтовые?

7. Как направлен вектор скорости по отношению к линии краевой и винтовой дислокации?

8. Каким способом может перемещаться краевая дислокация?

9. Каким способом может перемещаться винтовая дислокация?

10. Что такое переползание дислокаций? Какой фактор активизирует процесс переползания краевых дислокаций?

11. Почему винтовые дислокации не переползают?

12. Что такое вектор Бюргерса? Что такое мощность вектора Бюргерса? Выведите формулу дл определения мощности вектора Бюргерса.

13. Как направлен вектор Бюргерса по отношению к линии краевой и винтовой дислокации?

14. Что такое поверхностные дефекты?

15. На какие физические свойства кристаллических твердых тел влияют дефекты кристаллической структуры?

 

 

Лабораторная работа 2

МАКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ (МАКРОАНАЛИЗ)

Цель работы:

Ознакомиться с методами макроанализа. Изучить характерные макродефекты и виды макроструктур на образцах железоуглеродистых сплавов.

 

Приборы, материалы и инструмент

1. Образцы с дефектами, нарушающими сплошность металла, литой стали, с волокнистостью, с неравномерным распределением серы и фосфора.

2. Шлифовальная шкурка различных номеров зернистости, дере­вянные бруски.

3. Фарфоровая ванна, резиновый валик, лупа, вата, фильтровальная бумага, глянцевая бромосеребряная фотобумага.

4. Спирт, реактивы для выявления макроструктуры.

 

Краткие теоретические сведения

Макроанализ применяют для выявления в металле трещин, несплошностей: газовых пузырей, усадочной рыхлости, раковин и т. д., тлен, шлаковых включений,… Макроструктура может быть исследована непосредственно на по­верхности…  

Задание

1. Выявить на поверхности образцов дефекты, нарушающие сплошность металла. Зарисовать и кратко описать выявленные дефекты.

2. Приготовить макрошлифы.

3. Выявить на макрошлифе дефекты, нарушающие сплошность металла, ликвацию серы и фосфора, строение литой стали, волокнистую структуру. Зарисовать и дать характеристику выявленных макроструктур.

4. Кратко описать методы выявления макростроения и дефектов.

5. Написать отчет по работе в соответствии с пунктами задания.

 

Контрольные вопросы

1. Назначение макроанализа? Что является объектом макроанализа?

2. Что называют макрошлифом? Как приготовить макрошлиф?

3. Каковы методики выявления на поверхности макрошлифа несплошность металла, строения литой стали, волокнистости стали?

4. Какова технология выявления неоднородности распределения (ликвации) серы и фосфора?

 

Лабораторная работа 3

МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ (МИКРОАНАЛИЗ)

Цель работы

Ознакомиться с методами и приборами микроанализа.

 

Приборы, материалы и инструмент

1. Металлографический микроскоп.

2. Плакат со схемой оптической системы микроскопа.

3. Образцы стали или чугуна для микроанализа.

4. Наждачное точило, шлифовальная шкурка различных номеров зернистости, толстые стекла.

5. Полировальный станок, полировальная паста ГОИ.

6. Реактивы для травления, спирт, фильтровальная бумага, вата.

 

Краткие теоретические сведения

При помощи микроанализа определяют: 1. Форму и размер кристаллических зерен, из которых состоят металлы и… 2. Изменение внутреннего строения сплава, происходящее под влиянием различных режимов термической и химической…

Задание

1. Изучить устройство и принцип работы металлографического микроскопа МИМ-7.

2. Кратко описать методику приготовления микрошлифа.

3. Приготовить микрошлиф стали или чугуна и рассмотреть его под микроскопом до и после травления.

4. Зарисовать наблюдаемую микроструктуру стали или чугуна,

5. Написать отчет по работе в соответствии с пунктами 2,4.

 

Контрольные вопросы

1. Что называют микроанализом, микроструктурой, микрошлифом?

2. Каково назначение микроанализа?

3. Какова методика изготовления микрошлифа?

4. Для чего производят травление микрошлифа?

5. Какие травители используют для выявления микроструктуры углеродистых сталей и чугунов?

6. Устройство металлографического микроскопа МИМ-7.

7. Как установить на микроскопе требуемое увеличение?

 

 

Лабораторная работа 4

ФРАКТОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Цель работы

Изучить строение вязких, хрупких, вязко-хрупких и усталост­ных изломов.

Приборы, материалы и инструмент

1. Набор изломов металлических материалов, включающий вяз­кие, хрупкие, вязко-хрупкие, усталостные изломы.

2. Лупа или увеличительное стекло.

3. Штангенциркуль.

 

Краткие теоретические сведения

Различают три основных вида разрушения металлических матери­алов: вязкое, хрупкое, усталостное. Соответствующим образом клас­сифицируют и полученные…   Вязкое разрушение. Вязкое разрушение всегда сопровождается большой пластической деформацией материала на стадии…

Задание

1. Ознакомиться с макро- и микрофрактографией вязкого, хрупкого, вязко-хрупкого и усталостного разрушения.

2. Провести идентификацию изломов (установить вид изломов) из набора изломов металлических материалов. Рассортировать изломы по видам.

3. Замерить относительное сужение образцов у поверхности хрупких и вязких изломов.

4. Замерить длину усталостных зон на поверхности усталостных изломов. Зарисовать изломы и обозначить зоны на чертеже.

5. Написать отчет по работе в соответствии с пунктами 1, 3, 4 задания.

 

Контрольные вопросы

1. Что изучает фрактография? Какие основные виды разрушения вы знаете?

2. Как происходит вязкое разрушение? Каковы макро- и микрофрактографические признаки вязких изломов?

3. Какие материалы разрушаются вязко? В каких условиях?

4. Каковы макро- и микрофракторграфические признаки хрупких изломов? Какие механизмы хрупкого разрушения вы знаете?

5. Перечислите причины, охрупчивающие металлические материа­лы.

6. Что такое вязко-хрупкий переход? Какие материалы подвер­жены хладноломкости?

7. Как меняются свойства материала и вид изломов в интервале вязко-хрупкого перехода?

8. Что является причиной усталостного разрушения? Где зарождается и как растет усталостная трещина?

9. Какое макро- и микрофрактографическое строение имеют усталостные изломы?

10. О чем свидетельствует наличие вязкого, хрупкого, уста­лостного излома разрушенной детали (вид и примерный уровень приложенной нагрузки)?

 

Лабораторная работа 5

ИСПЫТАНИЕ НА ТВЕРДОСТЬ ПО МЕТОДУ БРИНЕЛЛЯ И РОКВЕЛЛА

Цель работы

Ознакомиться с определением твердости металлов по методу Бринелля и Роквелла.

Приборы, материалы и инструмент

1. Автоматический рычажной пресс Бринелля.

2. Прибор Роквелла.

3. Лупа для измерения диаметра отпечатка.

4. Таблица определение чисел твердости по Бринеллю и перевода значений твердости, определенных различными методами.

5. Образцы из нетермообработанной стали, закаленной стали и сплава цветного металла различной толщины.

6. Наждачное точило, напильник, наждачная шкурка.

 

Краткие теоретические сведения

В настоящей работе предлагается ознакомиться с наиболее широко применяемыми методами испытания металлов на твердость: по Бринеллю и Роквеллу.   Испытание на твердость по Бринеллю. Испытание на твердость по Бринеллю производится вдавливанием в испытуемый образец…

Задание

1. Изучить схемы и устройство автоматического рычажного пресса Бринелля и прибора Роквелла, выбор инденторов и нагрузок, подготовку образцов и приборов к работе, проведение испытаний и определение числа твердости.

2. Провести испытание на твердость по Бринеллю образцов из нетермообработанной стали и цветных сплавов.

3. Провести испытания на твердость по Роквеллу образцов из термообработанной стали.

4. Результаты испытаний оформить в виде протокола (табл. 5.4 и 5.5).

5. Написать отчет по работе в соответствии с п.п. 1-4.

 

Таблица 5.4 – Протокол испытания на твердость по Бринеллю

 

№ п/п	Материал	D, мм	Р,Н	Диаметр отпечатка, мм	Твердость, НВ	Твердость по Роквеллу (перевод)
						среднее

Таблица 5.5 - Протокол испытания на твердость по Роквеллу

 

№ п/п	Материал	Шкала	Твердость, HR	Твердость по Бринеллю (перевод)
			среднее

 

Контрольные вопросы

1. Что понимают под твердостью материала при определении ее методом вдавливания?

2. От чего зависит выбор диаметра шарика индентора и нагрузки при испытании на твердость по Бринеллю?

3. Для каких материалов применим метод измерения твердости по Бринеллю и почему?

4. Какие инденторы и нагрузки используют при испытании мате­риала по Роквеллу? Для испытания каких материалов они предназна­чены?

5. Как устанавливается предварительная нагрузка в приборе Роквелла? По каким шкалам определяется твердость по Роквел­лу; как она обозначается?

6. Какие преимущества имеет метод Роквелла по сравнению с методом Бринелля?

7. Возможен ли перевод твердости по Роквеллу в твердость по Бринеллю и наоборот?

 

Лабораторная работа 6

ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ

СИСТЕМ

Цель работы

Изучить основные типы диаграмм состояния двухкомпонентных систем.

Освоить количественный анализ диаграмм состояния.

 

Приборы, материалы и инструмент

Мерительная линейка, угольник, измеритель.

 

Краткие теоретические сведения

Фазой называют однородную часть системы, имеющую одина­ковый состав, кристаллическое строение и свойства, одно и то же агрегатное состояние и… Совокупность фаз, находящихся в равновесии, называют системой. В сплавах в зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов могут образоваться следующие фазы: жидкие…

Задание

1. Ознакомиться с вышерассмотренными типами диаграмм состояния двухкомпонентных систем.

2. Освоить методику построения кривых охлаждения; расчет объемного содержания жидкой и твердой фаз и их химического сос­тава в интервале температур, лежащем между линиями ликвидус и солидус.

3. Вычертить диаграммы состояния, представленные на рис. 6.6, 6.7, 6.8 и 6.9.

 

 

Рисунок 6.6 – Диаграмма состояния Рисунок 6.7 - Диаграмма состояния
системы Вi - SЬ системы Sn - Zn

 

 

Рисунок 6.8 – Диаграмма состояния Рис. 6.9. Диаграмма состояния
системы РЬ - Zn системы Мg - Са

Для каждой диаграммы:

а) указать линии ликвидус и солидус;

б) указать фазы, образующиеся во всех частях диаграммы;

в) построить кривые охлаждения для концентраций, указанных преподавателем;

г) рассчитать объем жидкой и твердой фазы и их химический состав для точек (температур), указанных преподавателем.

4. Написать отчет по работе в соответствии с пунктами 1-3 задания

Контрольные вопросы

1. Что представляет собой диаграмма состояния? Дайте определение сплава, фазы, системы.

2. Что называется твердым раствором? Виды твердых растворов.

3. Что представляет собой химическое соединение. Чем они отличаются от твердых растворов?

4. Из чего могут состоять механические смеси? Виды механической смеси.

5. Что определяет правило фаз? Что понимают под степенью свободы системы?

6. Какие типы диаграмм рассмотрены в данной работе? Назовите и опишите их.

7. Что называют линией ликвидус и солидус?

8. Что такое кривые охлаждения? Существует ли связь между видом кривой охлаждения и типами диаграмм?

9. Как рассчитать объем жидкой и твердой фаз и их химический состав для температур, расположенных между линиями ликвидус и солидус?

 

Лабораторная работа 7

ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ РЬ-SЬ

ТЕРМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Цель работы

Ознакомиться с термическим методом построения диаграммы фа­зового равновесия двухкомпонентной системы.

 

Приборы, материалы и инструмент

1. Тигельные печи.

2. Термометры.

3. Металлы: свинец, сурьма и сплавы РЬ-SЬ с 5, 10, 13, 20, 40 и 80% SЬ.

4. Секундомер.

5. Мерительная линейка.

 

Краткие теоретические сведения

Определение температур кристаллизации РЬ, SЬ и сплавов РЬ-SЬ. Температуру кристаллизации металлов и сплавов определяют на ус­тановке, схема которой…   Последовательность определения температуры кристаллизации:

Задание

1. Изучить методику определения температур кристаллизации РЬ, SЬ и сплавов РЬ-SЬ (с построением кривых охлаждения) и мето­дику построения диаграммы состояния РЬ-SЬ.

2. Провести наблюдение за процессом охлаждения РЬ, SЬ и спла­вов РЬ-SЬ, Результаты наблюдения занести в протокол испытания (табл. 7.1).

3. Построить кривые охлаждения данных металлов и сплавов.

4. Построить диаграмму состояния РЬ-SЬ.

5. Написать отчет по работе в соответствии с пунктами 2...4 задания.

 

Таблица 7.1 – Протокол испытания

 

100% РЬ	5% SЬ	13% SЬ	20% SЬ	40% SЬ	80% SЬ	100% SЬ

 

Контрольные вопросы

1. В чем сущность определения температур кристаллизации металлов и сплавов термическим методом?

2. Опишите установку и последовательность определения температур кристаллизации РЬ, SЬ и сплавов РЬ-SЬ.

3. Опишите методику построения диаграммы состояния РЬ-SЬ.

4. Какой тип диаграммы состояния образует сплав РЬ-SЬ?

 

 

Лабораторная работа 8

МИКРОАНАЛИЗ УГЛЕРОДИСТЫХ СТИЛЕЙ

В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ

Цель работы

Изучить микрострутуру углеродистой стали с различным содержанием углерода и установить связь между структурами и диаграм­мой состояния Ре-С.

Приборы, материалы и инструмент

1. Металлографический микроскоп.

2. Набор микрошлифов технического железа и углеродистых ста­лей с различным содержанием углерода в равновесном состоянии.

3. Циркуль и линейка,

4. Атлас микроструктур.

 

Краткие теоретические сведения

      Рисунок 8.1 – Нижняя левая часть диаграммы состояния Fе-С   Железо и углерод образуют в сталях следующие структуры (фазы).

Задание

1. Изучить по атласу микроструктуры технического железа, доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной сталей в равновесном состоянии.

2. Изучить микроструктуру технического железа и сталей с по­мощью оптического микроскопа и набора микрошлифов.

3. Зарисовать наиболее характерные микроструктуры, наблюдае­мые в микроскоп.

4. Рассчитать количество углерода в доэвтектоидной стали по площадям, занимаемым перлитом. Для этого установить на микроскопе увеличение 150-300 раз. Ориентировочно определить площадь (в процентах), занимаемую перлитом (F_п) и по формуле рассчи­тать содержание углерода (С) в стали.

5. Начертить нижнюю левую часть диаграммы состояния Fе-С, провести на ней линии, соотвествующие рассматриваемым сплавам, и дать описание процессов, происходящих при охлаждении сплавов, используя известные соотношения.

6. Написать отчет по работе в соответствии с пунктами 2-5 задания.

Контрольные вопросы

1. Какая область диаграммы состояния Fе-С охватывает стали?

2. Как подразделяются железо-углеродистые сплавы в зависимости от содержания углерода в рассматриваемой области?

3. Какие структуры образуются в сталях? Охарактеризуйте их.

4. Какую микроструктуру имеют техническое железо, доэвтектоидная, эвтектоидная и заэвтектоидная стали?

5. Для каких сталей и как можно металлографически определить количество углерода?

 

Лабораторная работа 9

МИКРОАНАЛИЗ УГЛЕРОДИСТЫХ ЧУГУНОВ

Цель работы

Изучить микроструктуру белых, ковких, серых и высокопрочных чугунов (с различным содержанием углерода) и установить связь между составом, условиями получения и структурой.

 

Приборы, материалы и инструменты

1. Металлографический микроскоп.

2. Набор микрошлифов белого, ковкого, серого и высокопрочно­ го чугунов в нетравленом и травленом состоянии.

3. Циркуль и линейка.

4. Атлас микроструктур.

 

Краткие теоретические сведения

Ледебурит – механическая смесь (эвтектика), состоящая из зе­рен аустенита или перлита с цементитом, образующаяся непосредст­венно из жидкой фазы при… Графит – это химически чистый углерод. Он имеет гексагональ­ную решетку и… Вместе с тем графитные включения в чугунах играют и опреде­ленную положительную роль. Например, улучшают…

Задание

1. Изучить по атласу микроструктуры доэвтектического, эвтек­тического и заэвтектического белых чугунов в равновесном состоянии, а также микроструктуры ковкого, серого и высокопроч­ного чугунов до и после травления.

2. Изучить микроструктуру вышеуказанных чугунов с помощью оптического микроскопа и набора микрошлифов.

3. Зарисовать наиболее характерные микроструктуры, наблюдае­мые в микроскоп.

4. Начертить правую часть диаграммы состояния Fе-С, провести на ней линии, соответствующие доэвтектическому, эвтектическому и заэвтектическому белым чугунам и дать описание процессов, происходящих при охлаждении сплавов, используя известные сплавы.

5. Описать отчет по работе в соответствии с пунктами 1-4 задания.

 

Контрольные вопросы

Какие сплавы называют чугунами и какую область диаграммы состояния Ре-С охватывают чугуны?

1. Как подразделяются белые чугуны в равновесном состоянии в зависимости от содержания в них углерода?

2. Какую структуру имеют доэвтектический, эвтектический и заэвтектический белые чугуны при высоких и при комнатной тем­пературах?

3. Как получают ковкий чугун? Какую он имеет форму графитовых включений? Какова может быть металлическая основа?

4. Какую форму графитовых включений и металлическую основу имеет серый чугун?

5. Как получают высокопрочный чугун? Чем обусловлены его бо­лее высокие (по сравнению с другими чугунами) механические свойства? Какую металлическую основу может иметь высокопрочный чугун?

 

Лабораторная работа 10

 

ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

Цель работы

1. Изучение влияния холодной пластической деформации на структуру и свойчтва (твердость) металлов.

2. Исследование влияния температуры рекристаллизации на структуру и свойства (твердость) холоднодеформированного металла.

Приборы, материалы и инструмент

1. Образцы из ниэкоуглеродистой стали, меди или алюминия.

2. Гидравлический пресс, муфельные электропечи, твердомеры Бринелля Роквелла, монокулярная лупа, штангенциркуль, клещи и набор шлифовальных бумаг.

 

Краткие сведения из теории

Упругой называют деформацию, влияние которой на форму, структуру , и свойства тела полностью устраняется после прекращения действия внешних сил. Пластическая деформация является результатом необратимых смещений атомов. В…  

Задание

В настоящей работе студенты определяют влияние холодной пластической деформации и температуры нагрева на твердость сталь­ных, медных или алюминиевых образцов.

 

Порядок выполнения работы

  h0 – h1 ε = ------- . 100% ,

Содержание письменного отчета

1. Название и цель работы.

2. Результаты экспериментов в виде таблицах 9.1 и 9.2.

3. Графики зависимости в координатах: «Твердость НВ - степень деформации δ», «Твердость НВ - температура нагрева при отжиге».

4. Выводы о влиянии степени холодной деформации и темпера­туры нагрева при отжиге на твердость стальных, медных или алюминиевых образцов.

 

Таблица 10.1 – Влияние степени пластической деформации на твердость металлических образцов

 

Материал	№ образца	Высота образца до деформации, h0, мм	Высота образца после деформации, h1, мм	Степень деформации, ε, %	Твердость, НВ

 

Таблица 10.2 – Влияние температуры нагрева деформированного металла на его твердость

 

Материал	Степень деформации, ε, %	Твердость, НВ
Температура нагрева, 0С
					…	…	…	…	…

Контрольные вопросы

I. Какую деформацию называют упругой?

2. Назовите атомные механизмы пластической деформации?

3. Как изменяются механические свойства и структура метал­ла с повышением степени холодной деформации?

4. Что понимают под наклепом металла?

5. Какие структурные изменения происходят в наклепанном ме­талле при прохождении процессов возврата?

6. Как изменяется структура и свойства металлов во время рекристаллизации?

7. Как различают холодную и горячую деформации?

 

Лабораторная работа № 11

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛА

НА ВЕЛИЧИНУ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ

 

Цель работы

Научиться определять удельное электросопротивление. Изучить влияние структуры материала на величину удельного электросопротивления.

 

Приборы и инструменты

1. Двойной мост.

2. Набор образцов.

 

Краткие теоретические сведения

  r = 1 g , Электропроводность металлов обусловлена движением свободных электронов, изменяющих свое состояние под воздействием…

Задание

1. Изучить принципиальную схему двойного моста.

2. Определить удельное электросопротивление выбранных материалов по схеме двойного моста.

3. Полученные данные занести в протокол испытаний.

4. Сделать вывод о влиянии типа материала на удельное электросопротивление.

 

Таблица 11.1 – Протокол испытаний

 

Материал	Удельное электросопротивление r, Ом . м

 

Контрольные вопросы

1. Что такое удельная электропроводность?

2. Что такое удельное электросопротивление?

3. Каким методом можно измерить удельное электросопротивление?

4. Приведите схему двойного моста.

 

Лабораторная работа 12

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ НА ТВЕРДОСТЬ

УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Цель работы

Исследовать влияние скорости охлаждения на твердость угле­родистой стали.

 

Приборы, материалы и инструменты

1. Муфельная печь, закалочная ванна с маслом, закалочная ванна с водой, клещи.

2. Твердомер Роквелла,

3. Образцы углеродистой стали.

 

Краткие теоретические сведения

Целью термической обработки является получение заданных свойств стали путем изменения ее структуры без изменения формы и состава. Любой режим…     Рисунок 12.1 - График термической…  

Задание

1. Изучить основные виды термической обработки углеродистой стали и получаемые при этом структуры.

2. Определить температуры нагрева для основных видов терми­ческой обработки.

3. Провести основные виды термической обработки угле­родистой стали: отжиг, нормализацию, закалку в масле, закалку в воде, замеряя при этом скорость охлаждения.

4. Провести испытания образцов на твердость по Роквеллу после ТО.

5.Результаты экспериментов представить в виде протокола ис­пытания (табл. 10.2).

6. Построить график зависимости твердости стали (HRC) от скорости охлаждения.

7. Сделать вывод о влиянии скорости охлаждения на структуру и твердость углеродистой стали.

 

Таблица 12.2 – Протокол испытаний

 

Марка стали	Содержание углерода, %	Вид термической обработки	Скорость охлаждения, гр./с	Твердость, HRC	Структура

 

Контрольные вопросы

1. Какие процессы происходят при распаде аустенита на феррито-цементитную смесь?

2. Как изменяются межпластинчатое расстояние и твердость стали с повышением скорости охлаждения?

3. Какова структура и твердость углеродистой стали после закалки в масле и в воде?

4. Назовите и охарактеризуйте основные виды термической обработки углеродистой стали.

5. Как выбирать температуру нагрева на отжиг, нормализацию, закалку углеродистой стали?

 

 

Лабораторная работа 13

ЗАКАЛКА И ОТПУСК УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Цель работы

1 Получить практические навыки проведения закалки и отпуска углеродистой стали.

2. Исследовать влияние температуры отпуска на структуру и твердость углеродистой стали.

Краткие теоретические сведения

После закалки на мартенсит углеродистая сталь имеет высокую твердость (58-62 HRC), но низкую пластичность. Кроме того, в про­цессе закалки возникают… Закалочные напряжения подразделяются на: 1. Термические (тепловые);

Задание

1. По диаграмме состояния Fe-С определить температуру нагрева под закалку предложенной марки стали.

2. Провести закалку четырех образцов углеродистой стали.

3. Определить твердость закаленных образцов по методу Роквелла.

4. Провести отпуск при 200, 400, 600 °С.

5. Произвести замеры твердости образцов после отпуска.

6. Построить график зависимости твердости от температуры отпуска.

7. Результаты испытаний оформить в виде таблицы 13.1.

8. Написать отчет о работе в соответствии с п.п. 1-5.

9. Сделать вывод о влиянии температуры и продолжительности отпуска на твердость углеродистой стали.

 

Таблица 13.1 – Протокол испытания

 

Марка стали	Содержа- ние С, %	Темпера-тура под закалку, 0С	Твердость после закалки, HRC	Темпера-тура отпуска, 0С	Твердость после отпуска, HRC	Структура после отпуска

Контрольные вопросы

1. Почему закалка не служит окончательной термической обра­боткой для углеродистой стали?

2. Назовите виды отпуска. Назначение каждого вида.

3. Какую форму имеют феррит и цементит при распаде мартен­сита в процессе отпуска?

4. Назовите структуры, получаемые при отпуске углеродистой стали.

5. Как будет изменяться твердость при повышении температу­ры отпуска, а также его продолжительности?

6. Что такое закалочные напряжения?

 

Лабораторная работа 14

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ СТАЛИ

МЕТОДОМ ТОРЦЕВОЙ ЗАКАЛКИ

Цель работы

Ознакомиться с характеристикой прокаливаемости. Получить навыки в определении прокаливаемости методом торцевой закалки.

 

Приборы, материалы и инструмент

1. Твердомер Роквелла.

2. Муфельная электропечь.

3. Специальная установка для проведения торцевой закалки.

4. Наждачный станок.

5. Штангенциркуль.

6. Специальные образцы из углеродистой и легированной стали.

 

Краткие теоретические сведения

Для получения структуры мартенсита при закалке необходимо, чтобы реальная скорость охлаждения стали была выше некоторой критической скорости Vкр.… При закалке детали реальная скорость охлаждения уменьшается по мере удаления… Если скорость охлаждения в центре сечения окажется больше критической для данной стали, то деталь закалится по всему…

Задание

1. Изучить характеристику прокаливаемоcти, установку для торцевой закалки, методику проведения торцевой закалки.

2. Выбрать температуру нагрева под закалку для исследуемых сталей.

3. Выдержать образцы в печи при выбранной температуре на­грева. Провести торцевую закалку образцов из углеродистой и ле­гированной сталей.

4. Проточить в образцах лыску глубиной 0,5 мм по образую­щим цилиндра (с двух противоположных по диаметру сторон).

5. Замерить твердость по длине площадок начиная от торца, через 1,5, а затем через 3 мм.

6. Результаты испытаний занести в протокол в виде таблицы 14.2.

7. Построить кривую прокаливаемости в координатах «твер­дость-расстояние от торца».

8. Используя данные таблицы 14.1, определить глубину прокалива­емости углеродистой и легированной сталей.

9. Написать отчет о работе в соответствии с п.п. 5-8; сделать выводы о влиянии легирования на прокаливаемость стали.

 

Таблица 14.2 – Протокол испытаний

 

Марка стали	Расстояние от закаливаемого торца, мм	Твердость, HRC
1-я лыска	2-я лыска	Среднее значение

 

Контрольные вопросы

1. Что понимают под прокаливаемостью стали?

2. При каком условии образец (деталь) прокаливается наск­возь?

3. Какие факторы влияют на прокаливаемость?

4. Какие факторы влияют на критическую скорость охлаждения?

5. Что служит характеристикой прокаливаемости сталей?

6. Что принимают за глубину прокаливаемости в доэвтектоидных, эвтектоидных и заавтектоидных сталях?

7. В чем заключается метод торцевой закалки?

8. Для каких сталей метод торцевой закалки неприменим?

 

Лабораторная работа 15

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА НА ТВЕРДОСТЬ ТЕРМООБРАБОТАННОЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СТАЛИ

Цель работы

1. Освоить процесс термообработки инструмен­тальной стали.

2. Исследовать влияние температуры нагрева на твер­дость инструментальной стали.

 

Приборы, материалы и инструмент

1. Муфельные печи, закалочный бак с водой, с маслом.

2. Твердомер Роквелла.

3. Образцы инструментальной углеродистой и легированной стали.

4. Атлас микроструктур.

Краткие теоретические сведения

Инструментальные стали по назначению можно разделить на стали для изготовления режущего, мерительного, штампового и про­чего инструмента.… - углеродистые (пониженной прокаливаемости, нетеплостойкие); - легированные (повышенной прокаливаемости, среднетеплостойкие);

Задание

1. Выбрать по справочнику температуру под закалку получен­ных для исследования инструментальных сталей: углеродистой, среднелегированной, быстрорежущей. Использовать по три образца каждой стали.

2. Произвести закалку сталей по соответствующим режимам.

3. Выбрать режимы для отпуска. Произвести отпуск сталей.

4. Определить твердость (HRC) сталей после закалки.

5. Определить твердость (HRC) сталей после отпуска.

6. По одному образцу каждой марки стали нагреть до темпера­туры 200 °С, следующие три образца - до 500 °С, остальные три образца - до 700 °С. Произвести выдержку с учетом размера и фор­мы образцов. Охладить на воздухе.

7. Определить твердость (НRС) сталей после охлаждения.

8. Результаты исследования занести в протокол в виде таблице 15.1.

9. Вычертить график зависимости твердости каждой марки ста­ли от температуры нагрева.

10. Написать отчет о работе в соответствии с п.п. 1-9. Сделать вывод о теплостойкости каждой из исследуемых сталей.

 

Таблица 15.1 – Протокол испытаний

 

Марка стали	Темпера- тура за- калки, 0С	Твердость, HRC	Темпера- тура от- пуска, 0С	Твердость, HRC	Твердость после нагрева, HRC
200 0С	500 0С	700 0С

Контрольные вопросы

1. На какие группы можно разделить инструментальные стали?

2. Для чего инструментальные стали подвергают низкому от­пуску?

3. Привести примеры углеродистой, легированной и быстрорежущей сталей. Назначение сталей.

4. Что такое красностойкость?

5. Почему углеродистые и среднелегированные стали нельзя использовать для изготовления инструмента, работающего при высоких скоростях резания?

6. Для чего быстрорежущую сталь подвергают двух- или трехкратному отпуску? Какие процессы происходят при этом?

7. Для чего после закалки в масле быстрорежущую сталь рекомендуется охладить до низких температур (- 80 – -100°С)?

 

Лабораторная работа 16

МИКРОСТРУКТУРА И ТВЕРДОСТЬ СТАЛИ

ПОСЛЕ ЦЕМЕНТАЦИИ

Цель работы

Изучить микроструктуру и зависимость между структурой и свойствами цементованной стали.

 

Приборы, материалы и инструмент

1. Металлографический микроскоп.

2. Набор шлифов углеродистых и легированных сталей после цементации.

 

Краткие теоретические сведения

Цементация - насыщение поверхностного слоя стали углеродом. Проводится для получения высокой твердости и износостойкости поверхностного слоя при… В зависимости от состояния насыщения среды цементация де­лится на твердую,… При твердой цементации науглероживающим веществом является твердый карбюризатор, в состав которого входит древесный…

Задание

1. Изучить микроструктуру цементованного слоя доэвтектоидной углеродистой стали.

2. Определить глубину цементованного слоя.

3. Зарисовать схему микроструктуры.

4. Определить твердость (НRС) цементованного слоя и сердцевины образца после цементации и термической обработки.

5. Оформить отчет о работе в соответствии с п.п. 1-4.

6. Сделать вывод о влиянии цементации на микроструктуру и твердость стали.

 

Контрольные вопросы

1. Что такое ХТО?

2. Для чего проводят цементацию?

3. Какие стали подвергают цементации?

4. Используя диаграмму состояния "железо-углерод", опишите структуру поверхностного слоя дозвтектоидной стали после цементации.

5. Почему после закалки цементованной стали в поверхностном слое получается мартенсит, а в сердцевине – феррит и перлит?

6. Какие режимы термической обработки применяют после це­ментации стали?

7. Почему окончательной термической обработкой цементован­ной стали служит низкий отпупк?

 

 

Лабораторная работа 17

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДУРАЛЮМИНА

Цель работы

Ознакомиться с режимами термической обработки и получить практические навыки проведения закалки и искусственного старения дуралюмина.

 

Приборы, материалы и инструмент

1. Муфельная печь.

2. Закалочный бак с водой,

3. Твердомер Бринелля.

4. Лупа для измерения отпечатка.

5. Образцы дуралюмина.

6. Клещи, штангенциркуль, шлифовальная шкурка.

 

Краткие теоретические сведения

Все алюминиевые сплавы, в зависимости от технологии изготов­ления из полуфабрикатов и деталей, делятся на деформируемые и ли­тейные. Из деформируемых сплавов путем горячей или холодной обра­ботки давлением… В зависимости от способа повышения механических свойств деформируемые алюминиевые сплавы подразделяются на сплавы,…

Задание

1. Изучить технологию термической обработки дуралюми­на.

2. Определить твердость (НВ) образцов в исходном (отожженном) состоянии.

3. Определить по диаграмме Сu-А1 температуру закалки дура­люмина.

4. Провести закалку образцов дуралюмина в воде.

5. Определить твердость (НВ) после закалки.

6. Провести искусственное старение закаленных образцов при температурах 170 °С с выдержками 5, 15, 30, 45, 60 мин; при 210 °С с выдержками 5, 15, 30, 45, 60 мин; при 250 °С с выдержками 5, 15, 30, 45, 60 мин.

7. Определить твердость (НВ) после старения.

8. Результаты испытаний занести в протокол (табл. 17.1).

9. Построить графики зависимости твердости (НВ) образцов от продолжительности старения (τ) для всех исследуемых температур.

10. Сделать выводы о влиянии температуры и продолжительности старения на твердость закаленного дуралюмина.

 

Таблица 17.1 – Твердость дуралюмина после различных режимов старения

 

Марка сплава	Твердость после закалки, НВ	Температура старения, 0С	Твердость (НВ) при длительности старения, мин.

 

Контрольные вопросы

1.Какова структура сплавов типа дуралюмина в отожженном состоянии при комнатной температуре?

2. Как и с какой целью проводят закалку дуралюмина?

3. Чек вызвано упрочнение сплава Сu-А1 при естественном и искусственном старении?

4. Опишите схему распада пересыщенного твердого раствора сплавов системы Сu-А1 при искусственном старении.

5.Как меняется твердость закаленного сплава с увеличением продолжительности искусственного старения?

6. Почему с повышением температуры старения стадия перестаривания достигается быстрее?

Литература

1. Физическое материаловедение / Под ред. Канна Р.У., Хаазена П.- Пер. с англ. В 3-х томах.- М.: Металлургия, 1987.- 640 с.

2. Материаловедение. Учебник для вузов / Под ред. Б.Н. Арзамасова.- М.: Машиностроение, 2008.- 648 с.

3. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение: Учебник для машиностроительных вузов.- М.: Машиностроение, 1980.- 493 с.

4. Гуляев Ф. П. Металловедение: Учебник для вузов.- М.: Ме­таллургия, 1978.-647с.

5. Геллер Ю. А., Рахштадт Ф. Г. Материаловедение. Методы ана­лиза. Лабораторные работы и задачи: Учебное пособие для вузов.- М.: Металлургия, 1989.- 456 с.

6. Гринберг Б. Г., Иващенко Т. М. Лабораторный практикум по металловедению и термической обработке: Учебное пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1968.- 320 с.