Материаловедение (стр. 4 )

1.  Проверить установку грузов на Р = 1500 H и алмазного конуса.

2.  Установить испытуемый образец на столик. Вращая маховик подъемного механизма стола, поджать образец к конусу так, чтобы маленькая стрелка на индикаторе совместилась с красной точкой. Это означает, что установлена предварительная нагрузка на образец Р0 = 100 H.

3.  Вращая нижний маховичок, подвести нуль шкалы С (черного цвета) к большой стрелке индикатора.

4.  Плавным нажатием руки на клавишу включить прибор на рабочий ход.

5.  После завершения цикла нагружения, произвести отсчет числа единиц твердости по большой стрелке шкалы С индикатора HRC.

6.  Вращая маховик против часовой стрелки, опустить столик в исходное положение и удалить образец.

7.  Провести испытание 3 раза, подсчитать среднее значение твердости.

8.  Полученные данные занести в табл. 4.

Таблица 4

Результаты испытаний на приборе Роквелла

Материал образца	Толщина образца, мм	Твердость HRC
1 замер	2 замер	3 замер	среднее значение

4. Содержание отчета

1.  Тема и цель лабораторной работы.

2.  Краткое теоретическое описание методов испытания на твердость.

1.  Характеристика основного оборудования и КИП согласно табл. 2.

2.  Схемы испытания на твердость по методам Бринелля и Роквелла

(рис. 1. а, в).

3.  Результаты испытаний в виде табл. 3, 4 .

4.  Схема замера диаметра отпечатка по методу Бринелля (рис. 2).

5. 

Выводы по работе.

5. Контрольные вопросы

1.  Что называется твердостью?

2.  Что такое индентор?

3.  Чем характеризуется твердость и в каких единицах она измеряется?

4.  Методы определения твердости.

5.  Как определить твердость по методу Бринелля?

6.  Как подсчитывается число твердости по методу Бринелля?

7.  Что обозначает запись 200 НВ?

8.  Что обозначает запись 180 НВ 2,5/187, 5/30?

9.  Когда не рекомендуется применять метод Бринелля и почему?

10.  Как определить твердость по методу Виккерса.

11.  Как подсчитывается число твердости по методу Виккерса?

12.  Что обозначает 450 НV 10/15?

13.  В чем преимущество метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля.

14.  Как определить твердость по методу Роквелла?

15.  Изобразить схему испытания на твердость по методу Роквелла.

16.  Что обозначает 50 HRC?

17.  В чем преимущество метода Роквелла по сравнению с методом Бринелля и Виккерса.

18.  Изобразить схему испытания на твердость по методу Бринелля

Лабораторная работа № 2

Тема: микроскопический анализ железоуглеродистых сплавов.

Цель: изучить структуры железоуглеродистых сплавов при помощи металлографического микроскопа.

Время проведения: 2 часа.

1. Краткие теоретические сведения

Под микроскопическим анализом понимают изучение строения металлов и сплавов с помощью металлографического микроскопа при увеличении в 50-2000 раз.

Поверхность образца подготовленная для исследования под микроскопом называется микрошлифом. Приготовление микрошлифов включает несколько этапов:

а) образец вырезают из исследуемого материала;

б) поверхность образца выравнивают при помощи напильника (если сплав мягкий) или абразивного круга (если сплав твердый);

в) полученную плоскую поверхность образца шлифуют шлифовальной шкуркой с зернами различных размеров (размер зерна шкурки изменяют в процессе шлифования от большего к меньшему);

г) окончательно зернистость поверхности образца удаляют полированием при помощи круга, обтянутого сукном или фетром. Полированный не травленный шлиф имеет светлый вид.

д) полированную поверхность образцов подвергают травлению, т. е. действию растворов кислот, щелочей или солей. После травления поверхность частично тускнеет.

е) затем травленную поверхность промывают водой, протирают спиртом, высушивают.

Так как различные структурные составляющие сплава обладают различным электродным потенциалом, то при наличии травителя (кислоты, щелочи или соли), одни из них растворяются, другие сохраняются неизменными. Растворяются составляющие сплава, имеющие более отрицательный электродный потенциал. Они являются катодами. Сохраняются неизменными составляющие имеющие более положительный электродный потенциал. Они являются анодами.

При освещении протравленного микрошлифа на металлографическом микроскопе лучи света по разному отражаются от различно про

травившихся структурных составляющих (рис. 3).

Структурные составляющие, протравившиеся слабо, отразят в поле зрения микроскопа больше лучей света, и будут казаться светлыми. Структурные составляющие протравившиеся сильно, отразят в поле зрения микроскопа, меньше лучей, вследствие рассеяния света и будут казаться темными. Таким образом, выявление структуры сплавов основано на разнице в состоянии поверхности и количестве отраженных лучей от исследуемого металла. После травления неоднородные участки металла или сплава становятся видимыми под микроскопом. На рис. 4, 5 приведены микроструктуры сталей и чугунов в зависимости от содержания в них углерода.

Структура доэвтектоидных сталей состоит из феррита – Ф (светлые включения) и перлита – П (темные включения) (рис. 4, а). С увеличением содержания углерода количество феррита уменьшается, а перлита – увеличивается.

Структура эвтектоидной стали состоит из перлита (темные включения) (рис. 4, б). Заэвтектоидная сталь состоит из перлита (темные участки) и цементита – Ц (светлые участки в виде сетки или игл) (рис. 4, в).

Структура доэвтектического чугуна (рис. 5, а) состоит из ледебурита (светлые участки с зернами перлита), перлита (темные участки) и вторичного цементита (светлые участки). Структура эвтектического чугуна состоит из перлита (темные включения) и первичного цементита светлый продолговатый кристалл (рис. 5, б). Заэвтектический чугун состоит из ледебурита – Л (темные включения) и первичного цементита (крупные светлые полосы) (рис. 5, в).

2. Перечень основного оборудования,

контрольно-измерительных приборов и материалов,

используемых на занятии

·  образцы микрошлифов и сплавов;

·  микроскоп металлографический вертикальный МИМ-7.

Ознакомиться с оборудованием, материалами и КИП используемыми на занятиях и их характеристики занести в табл. 5.

Таблица 5

Характеристика основного оборудования, материалов и КИП

Наименование оборуд., материалов и КИП	Марка или тип	Номинальные данные

3. Порядок выполнения работы и обработка результатов

1.  Включить микроскоп МИМ-7 и настроить его для работы.

2.  Поместить исследуемый шлиф протравленной поверхностью вниз на предметный столик.

3.  Просмотреть микрошлиф сплавов и зарисовать микроструктуру шлифа.

4.  Определить структурные составляющие шлифа.

4. Содержание отчета

1.  Тема и цель лабораторной работы.

2.  Краткое теоретическое описание сущности микроскопического анализа, с изображением микроструктуры железоуглеродистых сплавов (рис. 4, 5).

3.  Характеристика основного оборудования и КИП согласно табл. 5.

4.  Выводы.

5. Контрольные вопросы

1.  Что такое микроанализ?

2.  Что называется микрошлифом?

3.  На чем основано выявление структуры сплавов?

4.  Что определяется при помощи микроанализа?

5.  Как приготовить микрошлиф?

6.  Какие существуют способы обработки поверхности?

7.  Для чего необходимо травление образцов и какие реактивы применяются при травлении?

8.  Сущность процесса травления?

Лабораторная работа № 3

Тема: Влияние скорости охлаждения углеродистых сталей на их структуру и твердость.

Цель: Изучить влияние охлаждающей среды и скорости охлаждения на твердость углеродистых сталей при их термической обработке.

Время проведения: 2 часа.

1.  Краткие теоретические сведения

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств без изменения их химического состава.

Основной механизм термической обработки это перекристаллизация сплавов в твердом состоянии при их нагреве и охлаждении. Процессы термической обработки стали и чугуна основаны на явлении вторичной кристаллизации по линиям GS(AC3), SE(ACm), PK(AC1). Термической обработке подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин, инструменты.

Технология термической обработки заключается в нагреве сплава до определенной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении с различными скоростями (рис. 6).

В зависимости от температурных режимов термическая обработка подразделяется на следующие виды: отжиг, нормализация, закалка, отпуск.

Отжиг заключается в нагреве стали на 30…50° С выше критических температур (точек АС1 или АС3), выдержке заданной температуре и медлен

ном охлаждении (обычно вместе с печью). Цель отжига – устранить внутренние напряжения, измельчить зерно, придать стали пластичность, привести структуру в равновесное состояние.

Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали выше точки АС3, эвтектоидной стали – выше точки АС1, заэвтектоидной стали – выше точки АСm, на 30…50° С, выдержке при данной температуре и последующем охлаждении на воздухе. Цель нормализации доэвтектоидных и эвтектоидных сталей та же, что и полного отжига. Однако после нормализации твердость и прочность стали будут выше, чем при отжиге. Нормализация применяется для устранения крупнозернистой структуры, выравнивания механических свойств. В заэвтектоидных сталях нормализация устраняет цементитную сетку.

Закалка – процесс нагрева стали выше точки АС3 (полная закалка) или АС1 (неполная) на 30…50° С с последующим быстрым охлаждением.

Цель закалки – получение высокой твердости и заданных физико-механических свойств.

Свойства сталей после термической обработки во многом зависит от вида охлаждающей среды. Для изменения скорости охлаждения в воду добавляют соли, щелочи или используют охлаждающие жидкости такие как масло, расплавленные соли металлы.

При закалке в момент погружения изделия в охлаждающую среду вокруг него сразу же образуется пленка перегретого пара (паровая рубашка), через которую и происходит охлаждение – это стадия пленочного кипения. Когда температура поверхности достигает некоторого значения, паровая рубашка разрывается, и жидкость начинает кипеть на поверхности детали - охлаждение проходит быстрее – это стадия пузырчатого кипения. И когда температура поверхности становится ниже температуры кипения жидкости, охлаждение опять замедляется – идет стадия конвективного теплообмена.

Подбирая охлаждающую среду, а, следовательно, и скорость охлаждения, можно получить различные структуры: крупно - и мелкозернистые, зернистые, пластинчатые и игольчатые отличающиеся дисперсностью и твердостью.

При медленном охлаждении по линии РК происходит полное распадение аустенита с образованием структуры перлита. Распадение происходит с образованием двух фаз: крупных пластин цементита на перлитной основе. Размеры этих пластинок измеряются тысячными долями миллиметра.

При увеличении скорости охлаждения до 50 град/с, распадение цементита не успевает полностью закончиться, но степень измельченности (дисперсности) пластинок цементита становятся более высокой. Размеры пластинок цементита измеряются десятитысячными долями миллиметра и различимы только очень больших увеличениях. Такая структура называется сорбитом.

При увеличении скорости охлаждения до 100 град/с успевает завершиться этап распадения аустенита. В результате размеры пластинок цементита измеряются стотысячными и миллионными долями миллиметра. Такая структура носит название троостита. Наличие тончайших пластинок цементита можно обнаружить с помощью электронного микроскопа.

При скорости охлаждения 150-200 град/с успевает завершиться перегруппировка атомов железа, поэтому углерод остается в виде твердого раствора в a – железе. Эта структура называется мартенситом.

Следовательно перлит, сорбит и тростит по структуре представляют смесь двух фаз – феррита и цементита и отличаются друг от друга только степенью дисперсности цементита, а мартенсит содержит только одну фазу – твердый раствор углерода в a – железе.

Для крупных, но простых по форме деталей из углеродистой стали, применяют воду или водные растворы щелочей.

Охлаждение в водных растворах кислот, солей и щелочей лучше чем охлаждение в чистой воде, так как нет периода пленочного кипения. Причем изменение температуры среды влияет на охлаждающую способность. В инструментальном производстве применяют 5…15% растворы NaCl в воде. Для изделий сложной формы, склонных к короблению и трещинообразованию – растворы щелочей.

2. Перечень основного оборудования,

контрольно-измерительных приборов

и материалов, используемых на занятии

·  образцы углеродистых сталей в отожженном состоянии;

·  термическая муфельная печь;

·  ванночки с водой и машинным маслом;

·  прибор Роквелла для замера твердости;

·  штангенциркуль;

·  секундомер;

·  клещи, рукавицы, керамические подкладки.

Ознакомиться с оборудованием, материалами и КИП используемыми на занятиях и их характеристики занести в табл. 6.

Таблица 6

Характеристика основного оборудования, материалов и КИП

Наименование оборуд., материалов и КИП	Марка или тип	Номинальные данные

3. Порядок выполнения работы и обработка результатов

1.  Настроить термическую печь на температуру 850° С.

2.  Подготовить ванночки с водой и маслом, клещи, рукавицы, керамические подкладки.

3.  Замаркировать образцы, замерить их толщину и твердость, результаты занести в табл. 7.

4.  Определить время нагрева tн образцов из расчета 1,5 минуты на 1 мм толщины образца tн = 1,5 × d. Время выдержки составляет приблизительно 25% от общего ×времени нагрева.

5.  Определить общее время нагрева и выдержки tобщ. = tн /0,75 .

6.  Определить время выдержки tв = tобщ. - tн. Расчетные значения занести в табл. 7.

7.  Загрузить образцы в печь и выдержать расчетное время нагрева и выдержки.

8.  Образцы 1, 2, 3 соответственно закалить в воде, масле и остудить на воздухе.

9.  Замерить твердость образцов после термообработки, результаты занести в табл. 7.

10.  Используя результаты замеров, построить график зависимости твердости стали до и после термообработки в зависимости от скорости охлаждения (рис. 7).

11.  Определить степень увеличения твердости:

, (3)

где HRC1 – твердость стали после термообработки;

HRC – твердость стали до термообработки.

12.  Сделать выводы о характере изменения твердости стали в зависимости от скорости охлаждения.

Таблица 7

Результаты испытаний

№ образца	Марка стали	Толщина образца d, мм	Время	Охлаждающая среда	Твердость стали	Степень увеличения твердости, n
нагрева tн, мин	выдержки tв, мин	общее tобщ, мин	до термообработки, НRC	после термообработки, HRC1
1
2

4. Содержание отчета

1.  Тема и цель лабораторной работы.

2.  Краткое теоретическое описание термической обработки углеродистых сталей с изображением графика термической обработки (рис. 6).

3.  Характеристика основного оборудования и КИП согласно табл. 6.

4.  Расчет времени термической обработки.

5.  Результаты испытания на твердость записать в виде табл. 7.

6.  График зависимости твердости после термообработки от скорости охлаждения (рис. 7).

7.  Расчет степени увеличения твердости.

8.  Выводы.

5. Контрольные вопросы

1.  Что называется термической обработкой?

2.  Цель термической обработки.

3.  Виды термической обработки.

4.  Технология термической обработки.

5.  Сущность термической обработки сплавов.

6.  Как осуществляется отжиг?

7.  Как осуществляется закалка?

8.  Как осуществляется нормализация?

9.  До какой температуры производится нагрев образцов при закалке и нормализации?

10.  Как определяется время нагрева образца под закалку?

11.  Как определяется время выдержки образца под закалку?

12.  Как определяется общее время нагрева образца под закалку?

13.  Как влияет скорость охлаждения на твердость образца?

14.  Изобразить график термической обработки стали.

15.  За счет чего происходит упрочнение стали при термической обработке?

16.  Изобразить график изменения твердости стали при закалке и нормализации.

17.  С какой целью осуществляется отжиг?

18.  С какой целью осуществляется нормализация?

19.  С какой целью осуществляется закалка?

20.  Как можно изменить скорость охлаждения образца?

21.  На чем основан процесс термической обработки?

22.  Из каких фаз состоит перлит, сорбит, тростит, и чем они отличаются друг от друга?

23.  Какая структура называется сорбитом?

24.  Какая структура называется троститом?

25.  Какая структура называется мартенситом?

Лабораторная работа № 4

Тема: Маркировка основных материалов используемых в машиностроении.

Цель работы: Закрепить знания о маркировке наиболее широко применяемых в машиностроении материалов.

Время проведения: 2 часа.

1. Краткие теоретические сведения

1.1. Стали

1.1.1. Углеродистые стали обыкновенного качества

Марки, химический состав и степень раскисления этих сталей регламентирует ГОСТ 380-94, а механические свойства – ГОСТ 535-88.

Стали маркируют сочетанием букв «Ст» и цифрами от 0 до 6. Буквы «Ст» обозначают сталь, цифры от 0 до 6 – условный номер марки в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем больше число, тем больше содержание углерода в стали, выше прочность и ниже пластичность. Стали делятся на три группы А, Б, В (группа А в марке стали не указывается).

Сталь группы А имеет гарантированные механические свойства и не поддается горячей обработке. Сталь группы Б имеет гарантированный химический состав и подвергается обработке давлением. Сталь группы В имеет гарантированный химический состав и механические свойства, используется для сварных соединений.

Степень раскисления обозначается индексами, стоящими справа от номера марки «кп» – кипящая, «пс» – полуспокойная, «сп» – спокойная. Если сталь раскислена марганцем, то в марке стали указывается буква «Г», если кремнием – ничего не ставится.

Например, Ст3Гпс – углеродистая сталь обыкновенного качества группы А (с гарантированными механическими свойствами), номер марки 3 полуспокойная, раскисленная марганцем. БСт2кп – углеродистая сталь обыкновенного качества группы Б (с гарантированным химическим составом), номер марки 2 кипящая, раскисленная кремнием.

Для всех сталей, кроме Ст0, определить содержание углерода в процентах можно умножив 0,07 на номер марки. Так, в стали Ст3: С (%) »

» 0,07*3 » 0,21% (по ГОСТ 380-94 фактически 0,14-0,22%).

1.1.2. Углеродистые качественные конструкционные стали

Эти стали характеризуются более низким, чем у сталей обыкновенного качества, содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Их поставляют в виде проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантированным химическим составом и механическими свойствами (ГОСТ 1050-88). Маркируют их двухзначными числами: 05; 08; 10; 15; 20;…; 85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Спокойные стали «сп» маркируются без индекса, полуспокойные и кипящие с индексами соответственно «пс» и «кп».

Все стали условно делятся на четыре группы.

·  Углеродистые качественные конструкционные стали 05, 08, 10. Хорошо штампуются, вследствие высокой пластичности, а также хорошо свариваются из-за малого содержания углерода. Используются для производства малонагруженных деталей. Например, Ст08кп – углеродистая качественная конструкционная сталь с содержанием углерода 0,08%, кипящая раскисленная кремнием.