close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

AntipovBerezina

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
Н. А. Антипов, С. А. Березина
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Лабораторный практикум
УДК669.01
ББК 34.62
А72
Рецензент:
кандидат технических наук С. Л. Поляков
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве лабораторного практикума
Антипов, Н. А.
А72 Материаловедение: лабораторный практикум / Н. А. Антипов,
С. А. Березина. – СПб.: ГУАП, 2018. – 68 с.
Рассматриваются современные способы исследования структуры
и свойств металлических материалов; изложены закономерности формирования структуры и свойств металлических конструкционных
материалов. Показана взаимосвязь между структурой и свойствами
материалов. Даны современные представления о механизме упрочнения и разупрочнения металлов и сплавов. Рассмотрены широко применяемые и перспективные сплавы чёрных и цветных металлов.
Предназначено для студентов среднего профессионального образования, изучающих общеобразовательную дисциплину «Материаловедение».
УДК 669.01
ББК 34.62
Учебное издание
Антипов Никита Андреевич,
Березина Светлана Алексеевна
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Лабораторный практикум
Публикуется в авторской редакции.
Компьютерная верстка С. Б. Мацапуры
Сдано в набор 25.09.18. Подписано к печати 26.09.18.
Формат 60×84 1/16. Усл. печ. л. 4,0. Уч.-изд. л. 4,3.
Тираж 50 экз. Заказ № 472.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2018
ПРЕДИСЛОВИЕ
В учебных планах среднего профессионального образования важнейшим и основополагающим в становлении выпускников как специалистов широкого профиля является цикл общепрофессиональных дисциплин. Среди этих дисциплин первичной в области технологической подготовки студентов выступает дисциплина «Материаловедение». Эта дисциплина с тем или иным изменением в наименовании входит в большинство учебных планов подготовки студентов.
Воспитательные и развивающие цели материаловедения состоят в формировании таких профессионально значимых качеств личности специалиста, работающего в области техники и технологий,
как эрудированность, самостоятельность, наблюдательность, обоснованность принятия решений, умение планировать свою деятельность, системное мышление, технологическое мышление, образное
и пространственное мышление, долговременная память.
Целью пособия является создание системы учебного материала
по практическим занятиям студентов, обеспечивающим формирование их умений в решении технологических задач.
Методические указания содержат систему лабораторных работ
на виртуальных стендах. Перечень приведенных в этом пособии
учебных работ охватывает все разделы учебной дисциплины материаловедение практическими занятиями, представляет их в разнообразии организационных форм и по своему объему значительно
перекрывает те объемы трудоемкости изучения дисциплины, которые характерны сегодня для содержания государственных образовательных стандартов.
3
Введение
Применение компьютерных технологий на занятиях по материаловедению позволяет формирование практических навыков так,
как виртуальная среда компьютера позволяет оперативно видоизменить постановку опыта, что обеспечивает значительную вариативность его результатов, а это существенно обогащает практику
выполнения учащимися логических операций анализа и формулировки выводов результатов эксперимента. Кроме того, можно многократно проводить испытание с изменяемыми параметрами, сохранять результаты и возвращаться к своим исследованиям в удобное
время. К тому же, в компьютерном варианте можно провести значительно большее количество экспериментов. Работа с этими моделями открывает перед учащимися огромные познавательные возможности, делая их не только наблюдателями, но и активными участниками проводимых экспериментов.
Виртуальные стенды позволяют учащемуся увидеть процессы в
упрощенном виде, представить себе схемы установок и собственноручно поставить эксперименты.
Все компьютерные лабораторные работы выполняются по классической схеме:
– теоретическое освоение материала;
– изучение готовой компьютерной лабораторной установки;
– выполнение экспериментальных исследований;
– обработка результатов эксперимента на компьютере.
Компьютерная лабораторная установка, представляет собой
компьютерную модель реальной экспериментальной установки,
выполненную средствами компьютерной графики и компьютерного моделирования. Выполнение экспериментальных исследований
представляет собой непосредственный аналог эксперимента на реальной установке. При этом реальный процесс моделируется на
компьютере.
4
Лабораторная работа № 1
«ПЛАВЛЕНИЕ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ»
Цель работы: определение типа металла по температуре его
плавления и кристаллизации.
Содержание работы
1. Для трёх указанных образцов металла произвести замер температуры плавления и кристаллизации.
2. Заполнить таблицу.
3. Построить графики плавления и кристаллизации каждого образца.
4. Определить по графику материал образца (цинк, свинец, олово).
Общие положения
Переход металла их жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией. Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом теле – вторичная кристаллизация. Самопроизвольное
зарождение кристаллов называют гомогенной кристаллизацией. Зарождение кристаллов за счет роста на уже существующих центрах
кристаллизации – гетерогенная кристаллизация. Гомогенная (самопроизвольная) кристаллизация происходит в условиях, когда расплав переходит к термодинамическим более устойчивому состоянию
с меньшей свободной энергией, которая характеризуется термодинамическим потенциалом G. С повышением температуры термодинамические потенциалы металла как в твердом (Gт), так и жидком (Gж)
состояниях уменьшаются, и становятся равными при определенной
температуре Тs – равновесная температура кристаллизации. При
равновесной температуре Тs жидкая и твердая фазы существуют одновременно, на рис. 1.1 изображено изменение свободной энергии металла в жидком (Gж) и твердом (Gт) состоянии в зависимости от температуры, где Тк – температура, при которой происходит кристаллизации, Тs – равновесная температура кристаллизации т. е. Gж = Gт.
Кристаллизация протекает в том случае, когда термодинамический потенциал металла в твердом состоянии будет меньше термодинамического потенциала в жидком состоянии, т. е. при переохлаждении металла ниже равновесной температуры Тs. Величина
∆Т = Тs – Ткр называется степенью переохлаждения и зависит от
5
природы металла. Она увеличивается с повышением чистоты металла и ростом скорости охлаждения.
Плавление – процесс обратный кристаллизации, протекает при
температуре выше равновесной, т. е. при перегреве. Разница между
Свободная энергия
Gж
Gт
Ts Температура
Tк
Рис. 1.1. График зависимости температуры
от свободной энергии
T2
T3
V1
T1
V1< V2 < V3
V2
Температура
Тs
V3
Время
Рис. 1.2. Кривые охлаждения металла:
Тк – температура начала кристаллизации; Тs – температура,
при которой жидкая и твердая фазы существуют одновременно;
ΔТ – степень переохлаждения; б – кривые охлаждения металлов
при кристаллизации: ΔТ1, ΔТ2, ΔТ3 – степень переохлаждения
при скорости охлаждения соответственно V1, V2, V3 ([1] стр. 14–17)
6
реальными температурами кристаллизации и плавления называется температурным гистерезисом. Термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении
с различными скоростями (V), приведены на рис. 1.2. Температура
жидкого металла при охлаждении уменьшается плавно. При достижении реальных температур кристаллизации (Т1, Т2, Т3) на кривых охлаждении появляются горизонтальные площади, так как
отвод тепла в окружающую среду компенсируется выделяющейся
скрытой теплотой кристаллизации. По окончании кристаллизации
температура уже затвердевшего металла опять понижается плавно. При медленном охлаждении (V1) степень переохлаждения (∆Т1)
мала и кристаллизация протекает при температуре, близкой и равновесной. С увеличением скоростей охлаждения кристаллизация
протекает при более низких температурах, при этом степень переохлаждения увеличивается.
Описание лабораторного стенда
Общий вид стенда представлен на рис. 1.3., стенд представляет
собой электропечь с термопарой, щипцы и три тигеля.
Рис. 1.3. Общий вид стенда для работы № 1
7
Порядок выполнения работы
1. Выбрать тигель (один из трех), с которым будет проводиться
опыт. Тигли пронумерованы (1, 2, 3). Последовательность и количество опытов не ограничивается. На рис. 1.4. показано, как взять
тигель.
2. Поместить тигель в печь, медленно «насадив» его на термопару. Закрыть крышку и нажать на кнопку нагрева. Процесс установки показан на рис. 1.5.
3. Нагревая образец, фиксировать в таблице температуру с промежутком времени в 20 секунд, зафиксировать температуру плав-
Рис. 1.4. Процесс взятия
тигля с панели
Рис. 1.5. Процесс установки тигля в печь
8
ления (на графике это выглядит как площадка, температура будет
держаться более 1 минуты, в пределах 3 градусов). После того как
температура резко возрастет (на 20–40 градусов) сразу же открыть
крышку, но продолжать измерения.
4. Охлаждая образец, зафиксировать температуру кристаллизации, она так же будет держаться не менее 1 минуты.
5. Построить графики зависимости температуры плавления и
кристаллизации от времени с интервалом времени в 10 секунд.
6. Заполнить таблицу отчета.
7. По окончании работы определить соответствие номера тигля
одному из металлов: цинк (419,6 °C), свинец (327,46 °C) или олово
(231,9 °C)
8. В выводе объяснить почему различаются температуры плавления и кристаллизация у одного и того же вещества.
Содержание отчета
1. Цели и исходные данные работы.
2. Заполненные табл. 1.1 и 1.2.
3. Графики плавления и кристаллизации для трёх образцов
(рис. 1.6).
4. Выводы по проделанной работе.
Таблица 1.1
Плавление
t, c
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300
Обр.
1
2
3
Таблица 1.2
Кристаллизация
t, c
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300
Обр.
1
2
3
9
T, c
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 t,c
Рис. 1.6. Графики плавления и кристаллизации
Контрольные вопросы
1. Что такое первичная кристаллизация?
2. Какие условия необходимы для протекания процесса кристаллизации?
3. Чем отличается гомогенное образование зародышей от гетерогенного?
4. Что такое степень переохлаждения?
5. Что такое плавление?
10
Лабораторная работа № 2
«ИСПЫТАНИЕ НА РАСТЯЖЕНИЕ ОБРАЗЦОВ
ИЗ МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ»
Цель работы: 1) ознакомление с методикой проведения испытания на растяжение; 2) определение механических характеристик
материала.
Содержание работы
Подготовить стенд к работе, произвести замеры на растяжение
образцов, построить график.
Общие положения
Напряжение σ
Статические испытания осуществляются при медленном возрастании нагрузок. Основным видом испытаний является испытание
на растяжение (ГОСТ 1497-84) позволяющее определить прочность
материала и его склонность к упругим и пластическим деформациям. При испытаниях, на специальных разрывных машинах растягивают стандартный образец. При этом замеряют силу сопротивления созданной деформации. При построении полученного графика
в координатах «напряжение – деформация», получаем диаграмму
условных напряжений (рис. 2.1). Условное напряжение σ равно величины прилагаемой к образцу нагрузки F к исходной площади поперечного сечения образца Ao.
∆σ
σв
σ 0,2
σ упр
σпц
∆ε
α
Деформация ε
Рис. 2.1. Диаграмма условных напряжений
11
FТ
K
Fразр
max
S1 S2
Fу
E
P
Fпц
Сила сопротивления, F
B
О
Удлинение образца, ∆L
Рис. 2.2. Диаграмма растяжения металлов
Однако наиболее точные результаты получаются при построении диаграммы растяжения (рис. 2.2) в координатах «сила сопротивления – удлинение образца».
OP – участок упругой деформации; Е – точка удлинения образца
на 0,05%; S1, S2 – площадка текучести; В – наибольшая нагрузка на
образец; К – разрушение образца; Fпц – наибольшее усилие упругой
деформации; Fy – усилие предела упругости; Fmax – усилие предшествующее разрушению образца; Fразр – усилие истинного сопротивления разрушению.
По полученному графику определяют напряжения при различных параметрах деформирования образца:
σ = F/Ao,
(2.1)
где F – усилие в Н; Aо – начальная площадь поперечного сечения
образца в мм2.
В технической литературе используется размерность МПа –
1Н/мм2 = 1 МПа. Этими параметрами являются: Предел пропорциональности σпц – напряжение, при котором зависимость «нагрузка-удлинение» перестает быть пропорциональной. Участок ОР показывает предел упругой деформации материала, т. е. деформации,
после снятия которой, образец возвращается в первоначальное положение. Предел упругости σ0,05 – напряжение, при котором остаточное удлинение образца достигает 0,05% его расчетной длины
(lo). Предел текучести σт – наименьшее напряжение, при котором
остаточное удлинение достигает 0,2% lo. Точка «Р» показывает начало пластических деформаций образца. Временное сопротивление σв – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Fmax,
предшествующей разрушению образца. Истинное сопротивление
12
разрыву – напряжение, определяемое отношением нагрузки Fразр
к фактической площади поперечного сечения образца в месте разрыва. Относительное удлинение ε (в %) после разрыва – отношение
приращения длины образца после разрыва к его первоначальной
длине:
ε = ∆l/l,
(2.2)
где ∆l – абсолютное удлинение тела в мм; l – первоначальная длинна
в мм ([1] стр. 48–50).
Описание лабораторного стенда
Общий вид стенда представлен на рис. 2.3, стенд представляет
собой разрывную машину и 3 образца, стенд контроля с штангенциркулем на рис. 2.4.
Описание работы на стенде контроля
Если указатель мыши находится на подвижной губке штангенциркуля, то ее можно перемещать влево, вправо. Если указатель
мыши на самом штангенциркуле, то перемещается весь штангенциркуль.
Рис. 2.3. Общий вид стенда для лабораторной работы № 2
13
Рис. 2.4. Общий вид стенда контроля
Задача студента: левую губку расположить около нужной риски
на левой части образца, а затем правую губку сдвинуть к нужной
риске на правой части образца.
Для считывания показаний, если необходимо, использовать
цифровое окно-дублер (рис. 2.5). Целое число миллиметров отсчитывают по миллиметровой шкале штанги до нулевого штриха нониуса (шкала на подвижной части штангенциркуля), а десятые доли
миллиметра по шкале нониуса от нулевой отметки до того штриха
нониуса, который совпадает с каким-либо штрихом миллиметровой
шкалы.
Рис. 2.5. Окно-дублёр штангенциркуля
14
На образце имеются контрольные риски, нанесенные по длине,
для образцов длиной 100 мм и 150 мм – через 5 мм, для образцов
длиной 200 мм и 250 мм – через 10 мм.
Порядок выполнения работы
1. Из имеющихся трех образцов выбрать один и переместить его
в машину (рис. 2.6)
2. Выполнить визуальный контроль установки образца в машину. При наличии ошибки сборки – исправить, нажав кнопку возврат и установив образец заново (рис. 2.7).
3. Запустить процесс растяжения стержня, нажав кнопку
«Пуск» (выполняется безостановочно от момента запуска до разрыва образца). Результат работы разрывной машины представлен на
рис. 2.8.
4. Перенести половинки образца на «стенд контроля».
Процесс переноса на стенд контроля представлен на рис. 2.9.
5. Выполнить совмещение половинок по линии разрыва (рис. 2.10).
Рис. 2.6. Процесс установки образца
на разрывную машину
15
Рис. 2.7. Процесс закрепления образца
Рис. 2.8. Результат работы разрывной установки
6. Штангенциркулем провести измерения диаметра шейки и
длинны заготовки (рис. 2.11, 2.12).
7. Построить график зависимости относительного удлинения (%)
от возникающего в сечении образца напряжения (Мпа) при растяжении для каждого из трёх образцов.
16
Рис. 2.9. Перенос половинок на стенд контроля
Рис. 2.10. Половинки до и после совмещения
8. По виду диаграммы сделать вывод характере материала образца (хрупкий\пластичный\хрупкопластичный).
17
Рис. 2.11. Измерение диаметра шейки образца
Рис. 2.12. Измерение длинны заготовки
18
Содержание отчета
1. Цели и исходные данные работы.
2. Заполненная таблица с результатами исследований (табл. 2.1).
3. Графики зависимости (%) от (Мпа) (табл. 2.1).
4. Выводы по проделанной работе.
Таблица 2.1
Результаты исследований
F, кН
σ, МПа
Δl,
Образец 1 d = ___ мм, l = ___ мм
мм
ε, %
График
σ,
МПа
ε, %
F, кН
σ, МПа
Образец 2 d = ___ мм, l = ___ мм
l,
мм
ε, %
График
Δ
σ,
МПа
ε, %
19
Окончание табл. 2.1
F, кН
σ, МПа
Образец 3 d = ___ мм, l = ___ мм
l,
мм
ε, %
График
Δ
σ,
МПа
ε, %
Контрольные вопросы
1. Что такое прочность?
2. Что такое пластичность?
3. Что такое хрупкость?
4. Принцип статических испытаний?
5. Что такое предел упругой деформации материала?
20
Лабораторная работа № 3
«ИСПЫТАНИЯ МЕТАЛЛОВ НА ТВЕРДОСТЬ»
Цель работы: приобрести навыки в определении твёрдости металлов на твёрдомерах типа ТШ (приборе Бринелля) и типа ТК (приборе Роквелла). Изучить зависимость изменения твёрдости стали от
содержания в ней углерода.
Содержание работы
Для каждого из трёх образцов определить твёрдость по Бринеллю и по Роквеллу.
Общие положения
Твердость материалов определяют при помощи воздействия на
поверхность образца наконечника (индентора), изготовленного из
малодеформирующегося материала (закаленная сталь, алмаз) и
имеющего форму шарика, конуса, пирамиды или иглы.
Измерять твердость материала можно несколькими способами,
различающимися по характеру воздействия индентора:
– определение твердости вдавливанием индентора – характеризует сопротивление материала пластической деформации;
– определение твердости царапанием поверхности иглой – характеризует сопротивление разрушению;
– определение твердости ударом стального закаленного шарика
(по его отскоку от поверхности образца) – характеризует упругие
свойства материала.
Вследствие простоты и надежности наибольшее применение получил способ измерения твердости вдавливанием индентора. В результате вдавливания индентора поверхностные слои образца, находящиеся вблизи индентора и под ним, пластически деформируются.
После снятия нагрузки на поверхности образца остается отпечаток.
Сущность метода Бринелля заключается во вдавливании в образец стального закаленного шарика (рис. 3.1), и в определении твердости т по величине диаметра отпечатка, оставляемого шариком.
Испытуемый образец 2 устанавливают на столике 1 в нижней
части неподвижной станины пресса. Шарик 3 вдавливается в под
действием силы F (нагрузка) сообщаемой штоку 4 набором грузов.
Эта нагрузка действует в течение обычно 10 … 60 с, в зависимости
от твердости измеряемого материала. Диаметр отпечатка измеря21
а)
б)
3
F
4
2
1
D
в)
d
Рис. 3.1. Измерение твердости по Бринеллю:
а – общий вид пресса Бринелля; б – вдавливание индентора;
в – отвод индентора
ют специальной лупой (Бринелль – лупа), на окуляре, которой нанесена шкала с ценой деления 0,1 или 0,05 мм. Диаметр отпечатка
измеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях; для
определения твердости следует принимать среднюю из полученных
величин.
Твердость по Бринеллю определяется по формуле:
HB =
(
2⋅ F
π ⋅ D D − D2 − d2
)
,
(3.1)
где D – диаметр шарика; d – диаметр отпечатка; F – сила вдавливания. Твердость по Бринеллю обозначается: соответствующим числом (например, 200 НВ); или диаметром отпечатка (чем меньше диаметр, тем больше твердость).
Измерение твердости методом Бринелля не позволяет измерять
твердость тонкого поверхностного слоя (толщиной менее 1 … 2 мм),
так как стальной шарик продавливает этот слой и проникает на большую глубину. Толщина измеряемого слоя (или образца) должна быть
22
а)
F =F0 +F1
F0
F0
h
F0
h0
б)
Рис. 3.2. Измерение твердости по Роквеллу:
а – общий вид пресса, б – вдавливание индентора
больше десятикратной глубины отпечатка. Испытывать стали с твердостью более 450 НВ и цветные сплавы с твердостью более 200 НВ.
Сущность метода Роквелла (рис. 3.2) заключается во вдавливании в образец алмазного наконечника с углом при вершине 120°
(шкала «А» или «С») или стального шарика диаметром 1,5875 мм
(шкала «В») в образец.
По глубине отпечатка h определяют твердость. Нагружение –
ступенчатое: предварительная нагрузка Fо – 0,098 кН; основная нагрузка F1 зависит от применяемой шкалы («А» – 0,59 кН; «В» – 0,98
кН; «С» – 1,47 кН). Твердость определяется по формулам:
HRA ( HRC
=
) 100 −
HRB
= 130 −
h − h0
,
0,002
h − h0
,
0,002
(3.2)
(3.3)
Измерения алмазным конусом с нагрузкой 1,47 кН (шкала «С»)
проводят для закаленной стали (с твердостью более 450 НВ), т. е.
в условиях, когда вдавливание стального шарика (по Бринеллю) в
твердый материал может вызвать деформацию шарика и искажение
23
результатов. Для материалов средней твердости (более 230 НВ) как
более быстрым способом определения, оставляющим, кроме того,
меньший след на измеряемой поверхности, чем при испытании по
Бринеллю. Для определения твердости тонких поверхностных слоев, но толщиной более 0,5 мм (например, цементированного слоя).
Измерения алмазным конусом с нагрузкой 0,59 кН (шкала «А»)
применяют для очень твердых металлов, например, твердых сплавов, когда вдавливание алмазного конуса с большой нагрузкой может вызвать выкрашивание алмаза, а также для измерения твердых поверхностных слоев глубиной (0,3 … 0,5 мм) или тонких образцов (пластинок).
Стальным шариком с нагрузкой 0,98 кН (шкала «В») твердость
определяют для мягкой (отожженной) стали или отожженных
цветных сплавов в деталях или образцах толщиной 0,8 … 2 мм, т. е.
в условиях, когда измерение по Бринеллю, выполняемое шариком
большого диаметра, может вызвать смятие образца ([1] стр. 50–52).
Описание лабораторного стенда для 1 части работы
Стенд состоит из прибора Бринелля, микроскопа и трех образцов
(рис. 3.3).
Рис. 3.3. Общий вид стенда
для лабораторной работы № 3 часть 1
24
Порядок выполнения работы часть 1
1. Выбрать образец и установить его на предметный столик.
2. Установить стрелку индикатора на приборе в положение «0».
3. Установить нагрузку на переключателе. (Провести необходимо три измерения твёрдости: под нагрузкой 500Н, 1000Н, 1500Н).
4. Поднять предметный столик.
5. Запустить прибор при помощи красной кнопки, зафиксировать значение индикатора. Процесс измерения показан на рис. 3.4.
6. После измерения опустить предметный столик.
7. Заглянуть в микроскоп, замерить диаметр отпечатка (рис. 3.3)
и записать значения в табл. 3.1.
8. Рассчитать число твёрдости по Бринеллю HB (формула 3.1) и
записать полученные значения (табл. 3.1):
9. Изменить нагрузку на переключателе и повторить операции.
10. Убрать образец с предметного столика.
11. Повторить операции с остальными образцами.
12. Значения занести в табл. 3.1.
13. Сделать выводы по полученным значениям.
Рис. 3.4. Процесс измерения твердости
под нагрузкой
25
Рис. 3.5. Процесс замера отпечатка
Рис. 3.6. Общий вид стенда
для лабораторной работы № 3 часть 2
26
Описание лабораторного стенда для 2 части работы
Стенд состоит из прибора Роквелла и трех образцов (рис. 3.6).
Порядок выполнения работы часть 2
1. Выбрать образец и установить его на предметный столик.
2. Поднять предметный столик.
3. Вдавить индентор в образец, вращая предметный столик, так
чтобы значение по наружной шкале индикатора было равно нулю.
4. Запустить прибор при помощи красной кнопки.
5. Внутренняя шкала большого индикатора будет показывать
глубину осевого перемещения конуса при определении числа твёрдости. Процесс измерения показан на рис. 3.7.
6. Записать глубину перемещения в табл. 3.2, опустить столик и
убрать образец.
7. Повторить операции для остальных образцов.
8. Рассчитать твёрдость образцов по Роквеллу HRC (формула 3.2)
и внести полученные значения в табл. 3.4.
9. Сделать выводы по полученным значениям.
Рис. 3.7. Процесс измерения твердости
27
Содержание отчета
1. Цели и исходные данные работы.
2. Заполненные таблицы с результатами исследований (табл. 3.1
и 3.2).
3. Выводы по проделанной работе.
Таблица 3.1
Испытание твёрдости по Бринеллю
Образец 1
Нагрузка, Н
d отпечатка, мм
Число твёрдости
500
Нагрузка, Н
d отпечатка, мм
Число твёрдости
500
Нагрузка, Н
d отпечатка, мм
Число твёрдости
500
1000
1500
1000
1500
1000
1500
Образец 2
Образец 3
Таблица 3.2
Испытание твёрдости по Роквеллу
№ образца
Расчётная формула
Осевое перемещение
Контрольные вопросы
1. Что такое твердость?
2. Способы измерения твердости?
3. Что такое индентор?
4. Сущность метода Бринелля?
5. Сущность метода Роквелла?
28
Число твёрдости
Лабораторная работа № 4
«ИССЛЕДОВАНИЕ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
СОПРОТИВЛЕНИЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ
ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ И МЕТАЛЛОВ»
Цель работы: 1) изучить влияние температуры и влажности
на удельное электрическое сопротивление и электрическую прочность важнейших диэлектриков; 2) изучить влияние температуры
и влажности на удельное электрическое сопротивление и электрическую прочность проводников.
Содержание работы
1. Провести испытание электропроводности диэлектрика.
2. Провести испытание электропроводности металла.
3. Заполнить таблицу и построить графики.
Общие положения
Различие между проводниками, диэлектриками и полупроводниками хорошо иллюстрируется с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердого тела. Электрон в изолированном
атоме может находиться лишь на строго определенных дискретных энергетических уровнях (состояниях). Энергетические уровни
отделены друг от друга значениями энергий, которых электрон в
данном атоме иметь не может. При образовании кристалла проявляется взаимодействие атомов между собой. В этом случае все энергетические уровни (заполненные электронами и незаполненные)
расщепляются, образуется зона энергетических уровней (рис. 4.1).
Уровней в зоне столько, сколько атомов в кристаллической решетке. Обычно ширина зоны – 1 эВ. Электроны могут за счет внешних
воздействий (тепловое, излучение) переходить на более высокие
свободные энергетические уровни. Такие электроны, находящиеся
внутри частично заполненной энергетической зоны, называются
свободными. Если приложить электрическое поле, то изменению
энергии свободных электронов соответствует направленное перемещение их в пространстве, т. е. электрический ток.
Проводниковые материалы. По удельному электрическому сопротивлению ρ металлические проводниковые материалы можно разделить на две группы: материалы высокой проводимости, у которых
при нормальной температуре ρ<0,05 мкОм·м; металлы и сплавы с вы29
1
2
Рис. 4.1. Зона энергетических уровней
соким сопротивлением, имеющие при тех же условиях ρ>0,3 мкОм·м.
Особую группу составляют криопроводники и сверхпроводники, которые обладают ничтожно малым удельным электрическим сопротивлением при температурах, близких к абсолютному нулю.
К электрическим характеристикам проводниковых материалов
можно отнести удельное сопротивление или обратную величину –
удельную проводимость; контактную разность потенциалов и термоэлектродвижущую силу (термоЭДС); работу выхода электронов
из металла.
Концентрация свободных электронов и скорость их хаотического теплового движения для различных металлов при определенной
температуре отличаются незначительно, поэтому удельная проводимость зависит в основном от средней длины свободного пробега
электронов в проводнике. Тепловая скорость определяется структурой проводникового материала, так для чистых металлов с наиболее упорядоченной кристаллической решеткой удельное сопротивление минимально, а наличие примесей и дефектов в решетке
приводит к увеличению ρ.
К полупроводникам относятся материалы с удельным электрическим сопротивлением 10–5–108 Ом·м. Простые полупроводники:
германий, кремний, селен, теллур, бор, углерод, фосфор, сера, сурьма, мышьяк, серое олово, йод и некоторые химические соединения.
Полупроводники обладают рядом характерных только для них
свойств, резко отличающихся от проводников: в большом интервале
температур их удельное сопротивление уменьшается, т. е. они имеют
отрицательный температурный коэффициент удельного сопротивления; при введении в полупроводник малого количества примесей их
30
удельное сопротивление резко изменяется; полупроводники чувствительны к различного рода внешним воздействиям – свету, ядерному
излучению, электрическому и магнитному полям, давлению и т. д.
Электропроводность полупроводников. В собственном полупроводнике носителями заряда являются свободные электроны и дырки,
концентрации которых одинаковы. При наличии внешнего электрического поля плотность электронной составляющей тока, который
протекает через собственный полупроводник, т. е. число электрических зарядов, переносимых за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению электрического поля.
Диэлектриками называют вещества, основным электрическим
свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле. В газообразных, жидких и твердых диэлектриках
электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или
ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться, при этом
происходит разделение центров положительного и отрицательного
зарядов, т. е. поляризация. Диэлектрики содержат и свободные заряды, которые перемещаясь в электрическом поле, обусловливают
электропроводность. Однако количество таких свободных зарядов в
диэлектрике невелико, поэтому ток мал. Используемые в качестве
изоляционных материалов диэлектрики называют пассивными.
Существуют активные диэлектрики, параметры которых можно
регулировать, изменяя напряженность электрического поля, температуру, механические напряжения. По химическому составу их
разделяют на органические, представляющие собой соединения
углерода с водородом, азотом, кислородом и другими элементами;
элементоорганические, в молекулы которых входят атомы кремния,
магния, алюминия, титана и других элементов; неорганические, не
содержащие в своем составе углерода. Из многообразия свойств диэлектриков, определяющих их техническое применение, основными
являются: электропроводность, поляризация и диэлектрические
потери, электрическая прочность и электрическое старение.
Используемые диэлектрики содержат в своем объеме небольшое
количество свободных зарядов, которые перемещаются в электрическом поле. Этот ток называется сквозным током утечки. В диэлектриках свободными зарядами, которые перемещаются в электрическом поле, могут быть ионы (положительные и отрицательные),
электроны и электронные вакансии (дырки), поляроны. Ширина
запрещенной зоны в диэлектриках 3...7 эВ, энергию, достаточную
для перехода в зону проводимости электроны могут приобрести в
результате нагревания диэлектрика или при ионизирующем облу31
чении. В сильных полях возможна инжекция зарядов (электронов,
дырок) в диэлектрик из металлических электродов; возможно образование свободных зарядов (ионов и электронов) в результате ударной ионизации, когда энергия свободных зарядов достаточна для
ионизации атомов при соударении ([2] стр. 48–50, 58, 72).
Описание лабораторного стенда для 1 части работы
Стенд состоит из измерителя сопротивления и печи (рис. 4.2).
Изменение температуры в печи происходит при помощи панели
под дверью печи. Установление заданной температуры идет со скоростью 10 град/мин при нагреве с закрытой дверцей, 0,5 град/мин
при открытой дверце. Остывание идет со скоростью 1 град/мин при
закрытой и 20 град/мин при открытой.
Размеры измеряемого образца задаются случайным образом в
диапазоне: длина L (40–50) мм и сечение S (25–30) мм2.
Порядок выполнения работы
1. Включить омметр, нажав на кнопку пуск.
2. Выставить температуру на печи 20 градусов и закрыть дверцу.
Рис. 4.2. Общий вид стенда
для лабораторной работы № 4 часть 1
32
Рис. 4.3. Выставление предела омметра
Рис. 4.4. Панель управления лабораторной работой
3. Выставить предел омметра так, чтобы было видно значение сопротивления (рис. 4.3).
4. Внести в табл. 4.1. значение температуры и сопротивления.
5. Повысить температуру на 20 градусов и подождать 2 минуты.
Для ускорения течения времени можно воспользоваться кнопкой «Прыжок» (рис. 4.4).
6. Повторять операции 3–5 ещё 9 раз.
7. Построить график зависимости сопротивления от температуры диэлектрика (табл. 4.1).
Описание лабораторного стенда для 2 части работы
Стенд состоит из измерителя сопротивления, печи и трёх образцов (железо, никель, медь) (рис. 4.5).
Магазин сопротивлений имеет переключатели (х0,1)-(х10000) Ом.
Левое плечо моста – переключаемый делитель, положение которого надо учитывать при индикации баланса моста (делитель 1:100,
Rx = 2,410 Ом, на магазине набор 241,0). Чувствительность индикатора – 14–16 шагов переключателя (х0,1), т. е. если стрелка с края в левой половине шкалы. Начальное сопротивление каждого образца задается случайным образом при старте работы в интервале 4–100 Ом.
33
Рис. 4.5. Общий вид стенда
для лабораторной работы № 4 часть 2
Порядок выполнения работы
1. Выбрать образец (согласовать с преподавателем).
2. Выставить температуру 20 градусов и закрыть крышку.
3. Выставить значение амперметра на 0, меняя значение магазина сопротивлений.
4. Записать значение сопротивления и температуру в табл. 4.2.
5. Поднять температуру на 20 градусов и подождать 2 минуты.
6. Повторять операции 3–5 ещё 9 раз.
7. Построить график зависимости сопротивления от температуры металла (табл. 4.2).
8. Сделать выводы о зависимости сопротивления от температуры
у различных материалов.
Содержание отчета
1. Цели и исходные данные работы.
2. Заполненные таблицы с результатами исследований (табл. 4.1
и 4.2.)
3. Выводы по проделанной работе.
34
Таблица 4.1
Исследование диэлектрика
L=
T, °C
S=
R, Ом
σ,
МПа
ε, %
Таблица 4.2
Исследование проводника
Материал:
T, °C
R, Ом
σ,
МПа
ε, %
35
Контрольные вопросы
1. Что такое диэлектрик?
2. Что такое проводник?
3. Что такое полупроводник?
4. Расскажите об элементах зонной теории?
5. Приведите примеры известных вам диэлектриков и проводников.
36
Лабораторная работа № 5
«ИСПЫТАНИЯ МЕТАЛЛОВ НА УДАРНУЮ ВЯЗКОСТЬ»
Цель работы: 1) ознакомить обучаемого с методом испытаний на
ударную вязкость; 2) провести испытания образцов при различных
температурах и определить ударную вязкость.
Содержание работы
Провести испытания металлов на ударную вязкость для трех
групп материалов по восемь образцов в каждой.
Общие положения
При эксплуатации различные детали и конструкции часто подвергаются ударным нагрузкам. Для оценки способности металлических материалов переносить ударные нагрузки используют динамические испытания, которые широко применяются также для
выявления склонности металлов к хрупкому разрушению. Стандартизованы и наиболее распространены ударные испытания на изгиб образцов с надрезом. Помимо них используются методы динамического растяжения, сжатия и кручения. Скорости деформирования и деформации при динамических испытаниях на несколько
порядков больше, чем при статических.
Среди многочисленных методов ударных испытаний наиболее
широкое практическое применение нашел метод испытания на
ударный изгиб с измерением величины ударной вязкости. Эта характеристика механических свойств играет огромную роль при
оценке служебных свойств конструкционных, а также инструментальных сталей.
Динамические испытания проводятся при скоростях деформирования больших, чем при статических испытаниях. Динамические испытания на ударный изгиб выявляют склонность материала
к хрупкому разрушению. Испытания основаны на ударном разрушении образца с концентратором напряжений на маятниковом копере (рис. 5.1). На основании 6 установлена стойка 1 с качающимся
ножом 3. Угол поворота ножа вокруг горизонтальной оси отмечается по шкале 2. При обратном ходе, нож тормозится ручным тормозом 5. Образец 4 установлен на опорах 7. При прямом ходе, нож
разрушает образец, затрачивая часть накопленной потенциальной
энергии ([1] стр. 52–53).
37
а)
3
7
в)
б)
4
Н1
7
40
1
55
2
5
1
a
6
Н2
b
4
10×10
Рис. 5.1. Испытания на маятниковом копере:
а – общий вид копера; б – схема копера; в – образец
и его установка на копере; 1 – нож; 2 – стойка; 3 – шкала;
4 – образец; 5 – ручной тормоз; 6 – основание; 7 – опоры
Ударная вязкость (KC) – отношение работы K, необходимой для
разрушения образца, к площади поперечного сечения S в месте надреза. Вычисляется ударная вязкость по формуле:
KС = K/S,
S = a∙b,
(5.1)
(5.2)
где a и b – начальная ширина и высота образца, измеряемые штангенциркулем.
Величина работы K, затраченной на излом образца, определяется как разность потенциальной энергии маятника в его положениях до и после удара (разрушения) и вычисляется по формуле:
38
K=
Q ⋅ ( H1 − H2 ), (5.3)
где Q – вес маятника, H1 – высота подъема до удара, H2 – высота
взлёта маятника после разрушения образца.
H1 = R ⋅ (1 − cos α),
H1 = R ⋅ (1 − cos α), (5.4)
(5.5)
H2 = R ⋅ (1 − cos β), где R – расстояние от центра тяжести маятника до оси его вращения.
Маятниковый копер, используемый нами в лабораторной работе,
имеет возможность задания угла подъема (α) и угла подъема после
разрушения (β). Зная угол подъема β работу K можно определить по
табл. 5.1.
Таблица 5.1
Работа, затрачиваемая на разрушение образца на маятниковом копре
β
K
β
K
β
K
β
K
β
K
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
150,98
150,94
150,91
150,86
150,82
150,78
150,74
150,71
150,66
150,62
149,88
149,55
149,36
148,91
148,64
148,35
147,93
147,55
147,28
146,77
146,21
145,88
145,32
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
139,16
138,43
137,68
136,91
136,12
135,33
134,42
133,64
132,77
131,89
130,99
130,07
129,14
129,19
127,22
126,23
125,22
124,21
123,18
122,13
121,71
119,91
118,92
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
107,27
106,04
104,87
103,56
120,31
101,04
99,77
98,49
97,21
95,1
94,66
93,29
91,98
90,64
89,33
87,45
86,14
85,32
83,89
82,49
81,28
79,92
78,57
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
65,01
63,06
62,31
60,98
59,63
58,29
56,96
55,64
54,31
53,01
51,69
50,39
49,09
47,82
46,62
45,25
43,98
42,75
41,49
40,44
30,24
37,89
36,65
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
25,22
24,16
23,11
22,08
21,65
20,85
19,69
18,7
17,60
16,52
15,45
14,37
13,30
12,22
11,15
10,72
10,01
9,38
8,61
7,86
6,85
6,23
5,77
39
Окончание табл. 5.1
β
K
β
K
β
K
β
K
β
K
23
24
25
26
27
28
29
30
31
144,91
144,25
143,69
143,11
142,51
141,87
141,22
140,55
139,87
55
56
57
58
59
60
61
62
63
117,79
116,67
115,54
114,39
113,24
112,06
110,88
109,67
108,48
87
88
89
90
91
92
93
94
95
72,22
75,86
74,54
73,16
71,79
70,58
69,07
67,72
66,36
119
120
121
122
123
124
125
126
127
35,41
34,28
33,62
31,99
30,75
29,63
28,55
27,98
26,31
151
152
153
154
155
156
157
158
159
5,12
4,70
3,62
3,21
2,55
2,01
1,49
0,97
0,40
Описание лабораторного стенда
Стенд состоит из копера, штангенциркуля и трех групп по восемь образцов в каждой (рис. 5.2).
Порядок выполнения
1. Задать температуру и угол подъема маятника (α).
2. Нажать кнопку «Установить».
3. Выбрать образец из группы.
Рис. 5.2. Общий вид стенда
40
4. Повернуть образец в окошке (рис. 5.3).
5. Произвести замеры образца (рис. 5.4), находим площадь поперечного сечения по формуле 5.2 и записываем полученное значение
в табл. 5.2.
6. Установить образец на стенд (рис. 5.5).
7. Нажать кнопку «Пуск».
8. Если образец разрушился, то записываем значение угла (β) в
табл. 5.2, если нет, увеличиваем угол (α) и повторяем испытание.
Рис. 5.3. Подготовка стенда к работе
Рис. 5.4. Замер
41
Рис. 5.5. Установка образца на стенд
Рис. 5.6. Разрушение образца
42
Таблица 5.2
Результаты испытания металла на ударную вязкость
Образец
Угол β,
град.
Работа K,
Дж
Площадь S,
см2
Ударная вязкость KC, Дж/см2
1
2
3
На рис. 5.6 показано разрушение образца под действием удара.
9. По табл. 5.1 находим работу и записываем её значение в табл. 5.2.
10. Провести испытание с остальными образцами и заполнить
табл. 5.1.
11. Вычислить ударную вязкость по формуле 5.1 и внести полученные значения в табл. 5.2.
12. Сделать выводы о хрупкости материалов.
Содержание отчета
1. Цели и исходные данные работы.
2. Заполненная таблица с результатами исследований (табл. 5.2).
3. Выводы по проделанной работе.
Контрольные вопросы
1. Какие свойства металлов и сплавов относятся к физическим?
2. Какие свойства металлов и сплавов относятся к механическим?
3. Какие свойства металлов и сплавов относятся к эксплуатационным?
4. Какие свойства металлов и сплавов относятся к эксплуатационным?
5. Какие свойства металлов и сплавов относятся к химическим?
43
Лабораторная работа № 6
«ШТАМПОВКА»
Цель работы: проверка знаний об устройстве и принципе работы
штамповочного станка, а также проверка элементов технологических расчётов.
Содержание работы
1. Пройти тест по определениям.
2. Определить требуемое усилие пресса.
Общие положения
В машиностроении большое применение находят различные
способы обработки металлов давлением, посредством которых достигается возможность получения деталей без дальнейшей механической обработки или с минимальной обработкой, при этом улучшаются механические свойства металла, сокращаются отходы,
увеличивается производительность.
Осуществляется обработка давлением посредством удара или
приложения статистического давления, создающего напряжение,
превышающее предел текучести металла. В результате этого происходят изменения внешней формы металла, его внутреннего строения и механических свойств, приводящее к его деформационному
упрочнению.
В результате холодной деформации прочностные характеристики и твердость с увеличением степени деформации возрастают,
а пластические свойства резко уменьшаются. Деформационное
упрочнение, получаемое металлом при холодной обработке давлением, позволяет увеличить эксплуатационные нагрузки на детали,
изготовленные из этого материала.
Различают методы горячей и холодной обработки давлением.
В данной работе рассматривается холодная обработка давлением.
Холодной обработке давлением подвергаются листовые и полосовые заготовки из низкоуглеродистой стали и из цветных сплавов
с максимальной толщиной до 10 мм с целью получения деталей
сложной конструкции. Листы и полосы, используемые для холодной листовой штамповки, являются продукцией прокатного производства. При этом листы имеют ширину от 1000 до 5000 мм и толщину от 4 мм до 10 мм, а полосы имеют ширину от 500 до 2500 мм с
44
толщиной от 1,5 мм до 10 мм. Преимуществом холодной обработки
являются высокие точность и чистота поверхности изделий при обеспечении высокой производительности труда. К недостаткам можно
отнести низкую стойкость инструмента из-за больших нагрузок.
Холодной листовой штамповкой называют способ изготовления
с помощью специального оборудования плоских и объемных изделий из листов, полос, лент.
Операции листовой штамповки можно разделить на две группы:
– разделительные, в результате которых происходит отделение
одной части заготовки от другой;
– формоизменяющие, в результате которых путем пластической
деформации изделия получают пространственные формы ([1] стр.
262–267).
На деформирование заготовок с помощью различных операций
холодной листовой штамповки затрачиваются определенные усилия. По этим усилиям, выбирается соответствующее оборудование.
Усилие, необходимое для вырубки или пробивки, определяется
по формуле:
=
P 1,25 ⋅ L ⋅ S ⋅ σ, (6.1)
где P – усилие на вырубку; 1,25 – коэффициент, учитывающий затупление режущих кромок пуансона и матрицы; L – периметр вырубаемого контура, S – толщина материала; σ – предел прочности
материала при растяжении (для стали σ = 280 МПа).
Порядок выполнения работы
1. Пройти тестирование, дать правильные определения операциям.
2. Рассчитать требуемое усилие пресса и ввести его в окно ввода
значения (рис. 6.1).
3. Нажать кнопку «контроль».
4. После проведения контроля, в случае ошибок провести задания повторно.
Содержание отчета
1. Цели и исходные данные работы.
2. Таблица 6.1 с результатами прохождения лабораторной работы.
3. Выводы по проделанной работе.
45
Рис. 6.1. Окно практической части лабораторной работы № 6
Таблица 6.1
Результаты измерений
Термин
Определение
Расчет требуемого усилия пресса
1. Отрезка
2. Вытяжка
3. Вырубка
4. Пробивка
5. Гибка
6. Отбортовка
7. Обжим
8. Формовка
Контрольные вопросы
1. Штамповка – это?
2. Классификация по типу применяемой оснастки?
3. Холодная листовая штамповка – это?
4. Холодная объемная штамповка – это?
5. Горячая объемная штамповка – это?
46
Лабораторная работа № 7
«ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД»
Цель работы: проверка теоретических знаний, изученных на
уроках материаловедения по диаграмме состояния железо-углерод.
Содержание работы
1. Оформить диаграмму состояния.
2. Пройти тест с вопросами по диаграмме состояния.
3. Распределить термины относительно концентрации углерода.
4. Дать наименования фаз на диаграмме.
5. Нахождение состава через Коноду.
Общие положения
Рассмотрим диаграмму состояния Fe-Fe3C (рис. 7.1). В сплавах
железа с углеродом различают следующие фазы: жидкий раствор
(на диаграмме состояния обозначается буквой «Ж»), феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита.
[Ж]
(Ж + А)
1200
1147
[A]
1000
911 G
(А + ЦII)
[А + Ф]
800
S
P
[Ф]
727
П (П + ЦII)
(Ф + ЦIII)
600 (Ф + П)
0,8
2
Q
0
20
(Ж +ЦI)
C
E
(А + ЦII + Л)
[А + Ц]
[Ф + Ц]
(П + ЦII + Л*)
40
60
Эвтектика
Температура, °С
1600 A [Ж + Ф]
B
1539
[Ф] 1400H
J
[Ф + А]
1392 N
Л*
D
F
(ЦI + Л)
K
(ЦI + Л*)
4
80
L %С
6 6,67 %Fe
100
Рис. 7.1. Диаграмма состояния Fe-Fe3C: A … S – характерные точки;
А – аустенит; Ж – жидкая фаза; П – перлит; ПII – перлит вторичный;
ПIII – перлит третичный; Ц – цементит; ЦII – цементит вторичный;
Ф – феррит; Л – ледебурит (А+Ц); Л*- ледебурит (П+Ц);
[] – фазы; () – структурные составляющие
47
Феррит (Ф или α) – твердый раствор внедрения углерода в Feα.
Различают низкотемпературный феррит с растворимостью углерода до 0,02% и высокотемпературный с предельной растворимостью 0,1%. Низкая растворимость углерода в Feα обусловлена малым размером межатомных пор в ОЦК решетке. Большая часть
атомов углерода может располагаться в дефектах решетки (вакансиях или дислокациях). Феррит – мягкая, пластичная фаза имеющая следующие механические свойства: σв = 300МПа; δ = 40%;
KCU = 2,5 МДж/м2; твердость 80 … 100 НВ.
Аустенит (А или γ) – твердый раствор внедрения углерода в Feγ,
имеет ГЦК решетку. Так как атомные поры решетки ГЦК больше,
чем ОЦК, то растворимость углерода в Feγ больше, и составляет
2,14% при 1147 oС. Аустенит пластичен и имеет большую, чем феррит прочность (160 … 200 НВ).
Цементит (Ц) – карбид железа Fe3C, содержит 6,69% углерода,
имеет сложную ромбическую кристаллическую решетку. В нормальных условиях цементит обладает высокой твердостью (800 НВ)
и низкой вязкостью, температура плавления цементита приблизительно равна 1260 oС.
Графит (Г) – углерод, выделившийся в железоуглеродистых
сплавах в свободном состоянии, имеет гексагональную кристаллическую решетку. Графит химически стоек, мягок и малопрочен.
Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус (АВСD) и солидус (AHJECF). Вторичная кристаллизация происходит в результате превращения
железа из одной модификации (Feγ) в другую (Feα). Растворимость
углерода в аустените (Feγ) и в феррите (Feα) с понижением температуры уменьшается (линии ES и PQ соответственно), а избыток
углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита, содержащего 6,67% углерода (линия DFKQ). Принято обозначать цементит, выделившийся из жидкости по линии СD – первичным (ЦI), из
аустенита по линии ES – вторичным (ЦII) и из феррита по линии
PQ – третичным (ЦIII).
Перитектическое превращение происходит при 1499 оС (линия
HJB): Ф+Ж = А. Эвтектическое превращение при 1147 оС (линия
ECF): Ж = [А+ЦI]. Полученная эвтектическая смесь аустенита, называется ледебуритом (Л). Эвтектоидное превращение при 727 оС
(линия PSK): А = [Ф+ЦII]. Эвтектоидная смесь феррита и цементита
называется перлитом (П).
Эвтектоид – перлит (0,8% С) и эвтектика ледебурит (4,3% С) и
являются самостоятельными структурными составляющими и
48
оказывают большое влияние на свойства железоуглеродистых
сплавов. Перлит, как правило, имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей: σв = 800 … 900 МПа;
σ0,2 = МПа; δ = 16%; твердость 180 … 200 НВ.
Ниже линии SK аустенит, входящий в состав ледебурита распадается на перлит и цементит, причем цементит представляет собой
сплошную матрицу, в которой расположены колонии перлита и это
определяет большую твердость ледебурита (более 600 НВ) и повышенную его хрупкость. Наличие ледебурита в структуре сплавов
делает невозможным обработку их давлением или резанием.
В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые
сплавы в соответствии с диаграммой Fe-Fe3C подразделяют на стали (меньше 2,14%) и чугуны (свыше 2,14%).
Стали с содержанием углерода менее 0,8% называют доэвтектоидными. Количественное соотношение между ферритом и перлитом в этих сталях определяется содержанием углерода. Чем ближе
содержание углерода к эвтектоидной концентрации, тем больше в
структуре перлита.
В сплавах с содержанием углерода 0,8% эвтектоидное превращение происходит при температуре линии PSK. В результате превращения из аустенита выделяются феррит (с содержанием графита 0,02%) и цементит. Превращение идет при постоянной температуре и постоянном составе фаз так как в процессе одновременно
участвуют три фазы и число степеней свободы рано нулю. Стали
этого типа (содержание углерода 0,8% называют эвтектоидными
сталями).
Эвтектоидному превращению сплава с содержанием углерода более 0,8%, предшествует выделение из аустенита вторичного цементита. Это вызвано уменьшением растворимости графита в аустените
(линия ES диаграммы). При охлаждении, аустенит обедняется углеродом до 0,8% и на линии PSK испытывает эвтектоидное превращение. При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется
на границах аустенитных зерен, образуя сплошные оболочки в виде
сетки. Стали этого типа называют заэвтектоидными.
Все сплавы с содержанием углерода до 0,02% называются техническим железом ([1] стр. 34–37).
Порядок выполнения работы
1. Первый этап. Внести значения температур и концентраций в
характерных точках А-Q (рис. 7.2).
49
Рис. 7.2. Первый этап лабораторной работы № 7
2. Нажать кнопку «Проверить», исправить ошибки, если не переходит на следующий этап.
3. Второй этап. Ответить на вопрос по диаграмме, внести ответ в
окно.
4. Нажать на кнопку «ответить», исправить, если не переходит
на следующий этап.
5. Третий этап. Перетащить термин мышкой в область (ниже
маркеров концентрации) отвечающую данному термину (рис. 7.3).
6. Нажать кнопку «Проверить», исправить ошибки, если не переходит на следующий этап.
7. Четвертый этап. При появлении термина наименования фаз
на диаграмме, щелкнуть мышкой в область, отвечающую этому
термину (рис. 7.4).
8. Нажать кнопку «Проверить», исправить ошибки, если не переходит на следующий этап.
9. Пятый этап. По виду фигуративной линии (ФЛ) заполнить таблицу интервалов (на экране – снизу), установить курсор в нужную
клетку таблицы, при постановке указателя мыши на ФЛ в клетке
показываться температура, которой соответствует указатель. После щелчка мышью температура в таблице фиксируется.
50
Рис. 7.3. Третий этап
10. По нарисованной Коноде, в областях с двумя фазами. Вносим
значения (в %) количества каждой фазы в таблицу (рис. 7.5).
11. Нажать кнопку «Проверить».
Рис. 7.4. Четвёртый этап
51
Рис. 7.5. Пятый этап
Содержание отчета
1. Цели и исходные данные работы.
2. Нарисовать и оформить диаграмму состояния Fe – Fe3C, используя полученные во время лабораторной работы знания.
Контрольные вопросы
1. Техническое железо – это?
2. Доэветктоидная сталь – это?
3. Заэвтектоидная сталь – это?
4. Эвтектоидная сталь – это?
5. Отличие стали от чугуна?
52
Лабораторная работа № 8
«ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОВ»
Цель работы: приобрести навыки в работе с микроскопом и в изучении структуры металлов.
Содержание работы
Определить тип стали у пяти образцов, определив их структурные составляющие.
Общие положения
При полной взаимной растворимости компонентов в твердом состоянии микроструктура сплавов представляет собой зерна твердого раствора (однофазные сплавы). Сплавы, у которых количество
растворимого компонента не превышает предельной его растворимости в основном металле при нормальной температуре, имеют такую же структуру.
При ограниченной растворимости могут образовываться структуры, состоящие из смеси двух и более фаз. Если в сплаве количество
растворимого компонента превышает его предельную растворимость
в основном металле, то образуется структура, состоящая из матрицы
(основного твердого раствора) и выделившихся частиц (избыточные
фазы) другого твердого раствора (обычно на базе химического соединения). Такая структура называется матричная или гетерогенная.
При медленном охлаждении избыточные фазы выделяются в основном по границам твердого раствора (матрицы) в виде крупных
частиц. При быстром охлаждении (увеличенное число зародышей
новой фазы) по границам зерен матрицы появляется оболочка из
новой выделившейся фазы. Эти выделения могут иметь пластинчатую, игольчатую или сфероидальную форму.
Структурный класс сталей определяют после отжига и нормализации. Границей служит вертикаль точки S (0,8% С) диаграммы
состояния Fe – Fe3C (рис. 7.1). После отжига стали могут быть доэвтектоидными (феррит + перлит) – левее точки S, эвтектоидными
(перлит) – точка S, заэвтектоидными (перлит и цементит) – правее
токи S (рис. 8.1, а, б, в), а также при введении больших количеств
марганца, никеля, хрома, кремния, вольфрама и других образуются стали аустенитного (рис. 8.1, г) или ферритного (рис. 8.1, д) классов соответственно.
53
а)
б)
г)
в)
д)
Рис. 8.1. Микроструктуры доэвтектоидной (а), эвтектоидной (б)
и заэвтектоидной (в) сталей, аустенитного (г) и ферритного (д) классов:
а – содержание углерода 0,35%, структурные составляющие – феррит
(светлые зерна) и перлит; б – содержание углерода 0,8%, структурная
составляющая – колонии перлита с хорошо различимой пластинчатой
структурой; в – содержание углерода 1,2%, структурные составляющие
– перлит и цементит вторичный (пограничные выделения вторичного
цементита в виде сплошной тонкой сетки (матрица) по границам зерен
бывшего аустенита, превратившегося при медленном охлаждении
в крупнопластинчатый перлит); г – компоненты стали – C – 0,04 %,
Cr – 18 %, Ni – 9 %, Ti – 0,1 %, структурные составляющие – аустенит
(крупные зерна) и выделения феррита (темные включения частично по
границам зерен, частично внутри них); д – компоненты стали – C – 0,4 %,
Cr – 13 %, Si – 0,7 %, Mn – 0,7 % структурные составляющие – феррит
и карбиды третичные; увеличение 200 ([1] cтр. 116–119)
Описание лабораторного стенда
Стенд состоит микроскопа и пяти образцов (рис. 8.2).
Порядок выполнения работы
1. Выбираем образец.
2. Изучаем появившийся в левой части экрана рисунок микроструктуры (рис. 8.3).
3. Определяем структурные составляющие (выпадающие списки
в местах, отмеченных маркерами). Для каждого образца требуется
заполнить таблицу в верхнем углу экрана.
54
Рис. 8.2. Стенд для лабораторной работы № 8
Рис. 8.3. Процесс исследования образца
55
4. Нажимаем кнопку «контроль». Образцы, номера которых
«подсвечены», имеют ошибки определения.
5. Делаем выводы о структурных составляющих: технического
железа, эвтектоидной стали, доэвтектоидной стали и заэвтектоидной стали.
Содержание отчета
1. Цели и исходные данные работы.
2. Эскизы со структурными составляющими: технического железа,
эвтектоидной стали, доэвтектоидной стали и заэвтектоидной стали.
3. Выводы по проделанной работе.
Контрольные вопросы
1. Феррит – это?
2. Аустенит – это?
3. Цементит – это?
4. Ледебурит – это?
5. Перлит – это?
56
Лабораторная работа № 9
«МАРКИРОВКА УГЛЕРОДИСТЫХ
И ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ»
Цель работы: научить студента по заданной марке стали определять качественный состав и ориентировочные значения отдельных
показателей.
Содержание работы
Расшифровать маркировки углеродистых и легированных сталей.
Общие положения
Стали углеродистые обыкновенного качества поставляют горячекатаными в виде проката. Марки сталей, их химический состав и
степень раскисления регламентирует ГОСТ 380-94. Стали маркируют сочетанием букв «Ст» и цифрой (номер стали от 0 до 6).
Углеродистые качественные и высококачественные стали характеризуются более низким, чем у сталей обыкновенного качества, содержанием вредных примесей и неметаллических включений. По назначению они могут быть конструкционными и инструментальными.
Конструкционные качественные стали маркируются двухзначными числами: 08, 10, 15, 25, 30…60, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (ГОСТ 1050-88). Так
сталь 08 содержит 0,08 % углерода, а сталь 60 содержит 0,6 % углерода. В высококачественных конструкционных сталях после марки
ставят букву «А», например: сталь 25А, сталь 50А и т. д.
Инструментальные углеродистые стали (ГОСТ 1435-90) производят качественными (У7, У8, У9, У10…). Буква «У» в марке показывает, что сталь углеродистая, а число указывает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Эти стали поставляют
после отжига на зернистый перлит. Благодаря невысокой твердости
в состоянии поставки (187–217 НВ) стали хорошо обрабатываются
резанием и хорошо деформируются, что позволяет применять высокопроизводительные методы изготовления из них инструментов.
У углеродистых высококачественных сталей в конце маркировки ставят букву «А»: сталь 45А, сталь У12А.
Легированные стали производят и поставляют качественными,
высококачественными и особовысококачественными.
57
Марка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр,
обозначающих ее химический состав. По ГОСТ 4543-71 принято обозначать хром – Х, никель – Н, марганец – Г, кремний – С, молибден –
М, вольфрам – В, титан Т, цирконий – Ц, ванадий – Ф, ниобий –Б,
медь – Д, алюминий – Ю, кобальт – К, бор – Р. Число, стоящее после буквы, указывает среднее содержание в процентах легирующего
элемента в стали. Если число отсутствует, то легирующего элемента меньше или около 1%. Буква «А» в конце марки показывает, что
сталь высококачественная. Особовысококачественные стали имеют в
конце буквы: «Ш» – электрошлаковый переплав; «ВД» – вакуумнодуговой переплав; «ВИ» – вакуумно-индукционная выплавка. Число в начале марки конструкционной легированной стали показывает
содержание углерода в сотых долях. Например: конструкционная
сталь 12Х18Н9Т содержит 0,12 % С, 18 % Cr, 9 % Ni и менее 1 % Ti;
конструкционная сталь 38ХМЮА содержит 0,38 % С, 1 % Cr, 1 %
Mo, менее 1 % Al – высококачественная; особовысококачественная
сталь 30ХГС-Ш содержит 0,3%С и по одному проценту хрома, марганца и кремния. Если же концентрация углерода примерно 1 %, то
цифры не ставятся, например: Сталь ХВГ содержит по 1 % углерода,
хрома, вольфрама и марганца; Сталь 9ХС – 0,9 % С, 1 % Cr, 1 % Si.
Некоторые стали содержат дополнительную букву после слова
сталь, обозначающую ее группу или тип, например: ШХ15 – шарикоподшипниковая сталь (1 % С, 1,5 % Cr); P6M5 – быстрорежущая
сталь (1 % С, 6 % W, 5 % Mo); AC14ХГН – автоматная сталь (14 %
Si, 1 % Cr, 1 % Mn, 1 % Ni).
Быстрорежущие стали обозначаются буквой «Р» – rapid, после
которой стоит число, указывающее процентное содержание вольфрама (ГОСТ19265-73). Содержание ванадия (до 2 %) и хрома (около
4 %) в марке не указывается. Стали, дополнительно легированные
молибденом, кобальтом или с повышенным содержанием ванадия,
содержат в маркировке буквы (М, К, Ф) и цифры, показывающие
процент введенных элементов. По эксплуатационным свойствам все
быстрорежущие стали делятся на стали нормальной и повышенной
производительности ([1] стр. 119–141).
Порядок выполнения работы
1. Выбрать первую вкладку «Сталь обыкновенная».
2. Из левого списка выбрать стали, которые относятся к данному
типу (рис. 9.1).
3. Нажать кнопку «Параметры» и заполнить поля (рис. 9.2).
58
Рис. 9.1. Общий вид стенда для лабораторной работы № 9
4. Аналогично заполнить остальные вкладки для сталей: конструкционной, инструментальной и легированной.
5. Проверить работу, нажав на кнопку «контроль».
Рис. 9.2. Заполнение параметров для группы металлов
59
Таблица 9.1
Результаты расшифровки
Сталь
Пример марки
Расшифровка марки
Обыкновенная
Конструкционная
Инструментальная
Легированная
Содержание отчета
1. Цели и исходные данные работы.
2. Заполненная табл. 9.1.
Контрольные вопросы
1. Как классифицируются стали по химическому составу?
2. Как классифицируются стали по содержанию углерода?
3. Как классифицируются стали по степени легированности?
4. Классификация стали по назначению?
5. В каких случаях ставится буква «А» ставится в начале, середине и конце марки?
60
Лабораторная работа № 10
«МАРКИРОВКА ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ»
Цель работы: научить студента по заданной марке цветного металла или сплава (на основе алюминия или меди) определять качественный состав и ориентировочные значения отдельных показателей.
Содержание работы
Расшифровать маркировки цветных металлов и сплавов.
Общие положения
Цветные металлы в чистом виде обычно применяются относительно редко, чаще используют различные сплавы.
Наибольшее значение в машиностроении имеют медные сплавы,
сплавы легких металлов, сплавы на основе никеля, антифрикционные сплавы, материалы для полупроводников и высокопрочные
сплавы на основе тугоплавких металлов.
Для легирования медных сплавов в основном используют растворимые в меди элементы (олово, цинк, алюминий, бериллий,
кремний, марганец, никель). Эти элементы повышают прочность
и твердость медных сплавов, практически не снижают их пластичность, а цинк, алюминий и олово даже увеличивают пластичность.
По технологическим свойствам различают деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные сплавы. По способности восприятия термической обработки сплавы делятся на упрочняемые и не
упрочняемые термической обработкой. По химическому составу
различают латуни (ГОСТ 15527-70) – сплавы меди с цинком, бронзы
(ГОСТ 493-79) и медно-никелевые сплавы (ГОСТ 613-79).
Для обозначения латуней и бронз используется буквенно – числовая маркировка. Тип сплава обозначают одной (Л – латунь) или
двумя (Бр – бронза) буквами. Легирующий элемент обозначается
одной или двумя буквами (по русскому названию элемента). Алюминий – А, бериллий – Б, железо – Ж, магний – Мг, марганец – Мц,
мышьяк – Мш, никель – Н, олово – О, свинец – С, серебро – Ср, сурьма – Су, фосфор – Ф, цинк – Ц, цирконий – Цр, хром – Х.
В деформируемых латунях, легированных только цинком, после буквы «Л» (латунь) ставят число, показывающее среднее процентное содержание меди (Л68 – латунь деформируемы, меди 68 %).
61
В многокомпонентных деформируемых латунях после буквы «Л»
подряд ставят обозначения легирующих элементов, далее ставят
процентное содержание меди и этих элементов (кроме цинка). Например, ЛАН59-3-2 – латунь деформируемая, меди – 59 %, алюминия – 3 %, никеля – 2 %, остальное – цинк.
В марках литейных латуней количество на первом месте ставят
обозначение и процентное содержание цинка, далее, дают обозначение легирующего элемента и его процентное содержание (ЛЦ40Мц3А
– латунь литейная, цинк – 40 %, марганец – 3 %, алюминий 1 %).
В марках деформируемых бронз после букв «Бр» (бронза) вначале подряд помещают символы легирующих элементов, далее указывают процентное содержание этих элементов (БрАЖ9-4 – деформируемая бронза, алюминия 9 %, железа – 4 %, остальное – медь).
В марках литейных бронз после каждого обозначения легирующего элемента ставят его процентное содержание (БрО6Ц6С3 – литейная
бронза, олово – 6 %, цинк – 6 %, кремний – 3 %, остальное – медь).
Медно-никелевые сплавы, используют для чеканки разменных
монет с конца XIX века, причем их состав на разных монетных дворах весьма разнообразен. Одним из самых известных таких сплавов
является мельхиор или нойзильбер (нем. Newsilber – новое серебро)
с составом медь (55-67%), никель (11-13%) и цинк (25-32%).
Наибольшее применение промышленности нашли медно-никелевые сплавы, называемые монель (монель – металл) и константан.
Монель-металл – сплав на основе никеля, содержит до 30% меди
(например: НМЖМц 28-2,5-1,5 – никелево-медный сплав, Cu – 28%,
Fe – 2,5%, Mn – 1,5%, остальное – никель). Монель является торговой маркой. Монель обладает коррозионной стойкостью, пластичностью, высоким пределом прочности. Применяют в химической,
нефтяной, судостроительной, медицинской промышленности при
производстве фильтрующих элементов.
Константан (от лат. constans), медно-никелевый сплав, характеризующийся слабой зависимостью электрического сопротивления
от температуры. Выпускаемый в России константан содержит 39 –
41% никеля, 1 – 2% марганца, остальное – медь (например: МНМц
40-1,5 – медно-никелевый сплав, Ni – 40%, Mn – 1,5%, остальное –
медь). Константан применяется в электротехнике для изготовления
реостатов, элементов измерительных приборов и др. С медью или
железом константан образует термопару, пригодную для измерения
температур до 500 °С.
Для сплавов алюминия характерна большая удельная прочность
(σв/ρ, где ρ – плотность), близкая к значениям для среднелегирован62
ных сталей (для алюминиевых сплавов σв/ρ = 150 – 182, для конструкционных среднелегированных сталей σв/ρ = 140 – 170).
Маркировка алюминиевых сплавов включает в себя: буквенное
обозначение вида сплава (Д – дюралюмины, В или АВ – высокопрочный сплав, АК – ковочный сплав, АЛ – литейный сплав); порядковый номер сплава и буквенное обозначение состояния поставки (М – мягкий, Т – термически обработанный, Н – нагартованный,
П – полунагартованный).
Маркировка некоторых алюминиевых сплавов похожа на маркировку легированных сталей: на первом месте стоит буквенное
обозначение сплава («АЛ» алюминиевый литейный, «АК, Д, АВ
или В» алюминиевые деформируемые). Далее стоит буквенное обозначение легирующего компонента и его среднее процентное содержание. Легирующий компонент обозначается по одной двум буквам
его русского названия (А – алюминий, Ж – железо, К – кремний,
Мц – марганец, Н – никель, О – олово, С – свинец).
Основными легирующими элементами алюминиевых сплавов являются медь, магний, кремний, марганец, цинк, литий, никель и титан.
Все сплавы на алюминиевой основе по технологическим признакам можно разделить на деформируемые и литейные; по способности к упрочнению термической обработкой (ТО) – на упрочняемые
или не упрочняемые ТО.
Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой. К этой группе сплавов относятся технический
алюминий и сплавы, легированные марганцем (сплавы АМц) и магнием (сплавы АМг).
Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термической обработкой. К этой группе относятся сплавы систем: Al – Cu –
Mg – дуралюмины (Д1, Д16, Д18, Д19); Al–Mg–Si–Cu – ковочные
сплавы (АК6, АК8); Al – Zn – Mg – Cu – высокопрочные сплавы (В95,
ВД17); Al – Cu – Mg – Fe – Ni – жаропрочные сплавы (АК6, АКЦ4-1).
Литейные алюминиевые сплавы. Для изготовления фасонных
деталей применяют сплавы, которые имеют низкую плотность и
высокую удельную прочность. Эти сплавы обладают хорошей жидкотекучестью, небольшой усадкой. Сложнолегированные сплавы
обычно подвергают термической обработке, после которой они приобретают высокую прочность (σв = 250 – 300 МПа).
Основными легирующими элементами литейных алюминиевых
сплавов являются кремний, медь, марганец, цинк. Марганец, никель
и хром в небольших количествах (0,5 – 3,5 %) добавляют в некоторые
сплавы для повышения коррозионной стойкости и жаропрочности.
63
В соответствии с ГОСТ 1583-89 сплавы разбиты на пять групп:
сплавы на основе системы Аl – Si – Мg; сплавы на основе системы Al –
Si – Сu; сплавы на основе системы Al – Сu; сплавы на основе системы
Al – Mg; сплавы на основе системы алюминий – прочие компоненты.
По назначению алюминиевые конструкционные литейные сплавы можно условно разбить на герметичные, жаропрочные и на коррозионно-стойкие.
Конструкционные герметичные сплавы АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛЗ4
(силумины) приготовляются на основе систем Al – Si или Al – Si –
Mg, и отличаются высокими литейными свойствами и герметичностью изготовленных из них отливок. Двойные сплавы Al – Si (АЛ2)
не упрочняются термической обработкой, но модифицирование
этого сплава небольшими количествами магния или церия значительно повышает механические свойства. Легированные силумины
(АЛ4, АЛ9) подвергаются термической обработке, как правило закалке и старению. Сплавы предназначены для изготовления герметичных емкостей (АЛ2), корпусов компрессоров, картеров двигателей внутреннего сгорания (АЛ4, АЛ9), крупных корпусных деталей
(АЛ34), блоков цилиндров (АЛ 32) и других деталей.
Конструкционные жаропрочные алюминиевые сплавы систем
Al – Si – Cu – Mg (АЛЗЗ), Al – Cu – Mn (АЛ19) подвергают термической обработке (закалке и старению). Эти сплавы обладают высокой
жаропрочностью (до 250 – 350 °С) и применяются для изготовления
ответственных деталей, работающих в условиях повышенных статических и ударных нагрузок при высоких температурах.
Конструкционные коррозионно-стойкие сплавы на основе систем
Al – Mg (АЛ8, АЛ27) и Al – Mg – Zn (АЛ24) обладают более высокой
коррозионной стойкостью, по сравнению с другими алюминиевыми
сплавами. Недостатком сплавов АЛ8, АЛ27 является их низкая жаропрочность – уровень рабочих температур не должен превышать
60 °С. Эти сплавы применяют для изготовления силовых деталей,
работающих при температурах от –60 до +60 °С в различных климатических условиях, включая воздействие морской воды и тумана.
Добавки цинка в систему Al – Mg (сплав АЛ24) позволил увеличить
жаропрочность до 150°С, при этом сплав сохранил высокую коррозионную стойкость и хорошие литейные свойства ([1] стр. 152–170).
Порядок выполнения работы
1. Выбрать одну из вкладок с цветными металлами и сплавами.
2. Из левого списка выбрать металлы, которые относятся к данному типу (рис. 10.1).
64
Рис. 10.1. Общий вид стенда для лабораторной работы № 10
3. Нажать кнопку «Параметры» и заполнить поля (рис. 10.2).
4. Аналогично заполнить остальные вкладки с металлами и
сплавами.
5. Проверить работу, нажав на кнопку «контроль».
Рис. 10.2. Заполнение параметров для группы металлов
65
Содержание отчета
1. Цели и исходные данные работы.
2. Заполненная табл. 10.1.
Таблица 10.1
Результаты расшифровки
Сплав
Пример марки
Расшифровка марки
Алюминиевый
деформируемый
Алюминиевый
литейный
Деформируемая
латунь
Литейная латунь
Безоловянная
литейная бронза
Безоловянная
деформируемая
бронза
Оловянная
деформируемая
бронза
Медноникелевый
Контрольные вопросы
1. Приведите пример применения меди в чистом виде.
2. Как классифицируют алюминиевые сплавы?
3. Назовите область применения медно-никелевых сплавов.
4. Как маркируют литейные латуни и бронзы?
5. Как маркируют деформируемые латуни и бронзы?
66
Заключение
При помощи компьютерных технологий студенты получат следующие знания и умения, получаемые экспериментальным путем:
– умение определять тип металла по температуре его плавления
и кристаллизации;
– знание методики проведения испытания на растяжение;
– умение определять механические характеристики материала;
– умение определять твёрдости металлов на твёрдомерах типа
ТШ (приборе Бринелля) и типа ТК (приборе Роквелла);
– знание зависимости изменения твёрдости стали от содержания
в ней углерода;
– знание влияния температуры и влажности на удельное электрическое сопротивление и электрическую прочность важнейших
диэлектриков;
– знание влияния температуры и влажности на удельное электрическое сопротивление и электрическую прочность проводников;
– умение проводить испытания образцов при различных температурах и определили их ударную вязкость;
– знания об устройстве и принципе работы штамповочного станка и выполнили расчет для определения усилия вырубки;
– знания диаграммы состояния железо-углерод (цементит);
– умение работать с микроскопом в изучении структуры металлов и изучили структурные составляющие;
– умение по заданной марке стали определять качественный состав и ориентировочные значения отдельных показателей;
– умение по заданной марке цветного металла или сплава (на основе алюминия или меди) определять качественный состав и ориентировочные значения отдельных показателей.
Важно помнить следующее, что теоретической основой материаловедения являются соответствующие разделы физики и химии
твердого тела, однако наука о материалах развивается в основном
экспериментальным путем.
67
Библиографический список
1. Материаловедение: учебник / А. А. Черепахин. М.: Курс:
Инфра-М. 2017. 336 с.
2. Материаловедение и материалы электронной техники: текст
лекций / М. А. Плотянская, И. А. Киршина, О. М. Филонов. СПб.:
ГУАП, 2004. 95 с.: ил.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие.............................................................................. Введение.................................................................................... Лабораторная работа № 1. «Плавление и кристаллизация»............... Лабораторная работа № 2. «Испытание на растяжение образцов
из малоуглеродистой стали»......................................................... Лабораторная работа № 3. «Испытания металлов на твердость»......... Лабораторная работа № 4. «Исследование удельного электрического
сопротивления и электрической прочности твердых диэлектриков
и металлов»............................................................................... Лабораторная работа № 5. «Испытания металлов на ударную
вязкость»................................................................................... Лабораторная работа № 6. «Штамповка»........................................ Лабораторная работа № 7. «Диаграмма состояния железо-углерод»... Лабораторная работа № 8. «Исследование структуры металлов»........ Лабораторная работа № 9. «Маркировка углеродистых
и легированных сталей»............................................................... Лабораторная работа № 10. «Маркировка цветных металлов
и сплавов»................................................................................. Заключение............................................................................... Библиографический список.......................................................... 68
3
4
5
11
21
29
37
44
47
53
57
61
67
68
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
8 941 Кб
Теги
antipovberezina
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа