Материаловедение. Методические указания к лабораторным работам (стр. 2 )

1.  Цель лабораторной работы.

2.  Схема испытания.

3.  Результаты испытаний (табл. 2 и 3).

4.  Выводы по работе.

4. Контрольные вопросы

1.  Что называется твердостью?

2.  От чего зависит выбор материалов для изготовления деталей машин?

3.  Виды механических испытаний.

4.  Методы определения твердости.

5.  Как определить твердость по Бринеллю?

6.  Как определить предел прочности стали, зная ее твердость по Бринеллю?

7.  Как определить твердость по Роквеллу?

8.  Зачем наряду с обычными механическими испытаниями проводят более сложные?

9.  Почему в производстве для оперативного контроля над качеством деталей не подходят обычные испытания на растяжение и сжатие?

10.  Что обусловило широкое распространение определения твердости?

11.  Что такое число твердости?

12.  Конструктивные элементы прибора типа ТШ.

13.  Преимущества и недостатки методов Бринелля и Роквелла.

14.  Требования к образцам.

Лабораторная работа №2

Тема: определение ударной вязкости железоуглеродистых сплавов

Цели работы:

·  изучить устройство и работу копра;

·  приобрести навыки проведения испытаний;

·  определить ударную вязкость образцов при испытаниях на изгиб и сравнить значения между собой.

Время, отведенное на проведение работы: 2 часа.

Необходимое оборудование, инструменты, материалы:

маятниковый копер; шаблоны для установки испытуемых образцов; штангенциркуль; образцы для испытания.

1. Теоретическая часть

Механические характеристики материала, полученные при статических испытаниях, не позволяют оценить его поведение при значительных скоростях нагружения, а многие детали работают в условиях ударных нагрузок (штампы прессов, наконечники отбойных молотков, кузнечный и слесарный инструмент). Одним из видов динамических испытаний, получивших весьма широкое распространение, является ударная проба, служащая для оценки способности материала сохранять свои пластические свойства при динамических нагрузках. В качестве критерия суждения об этом принимается энергия, которая поглощается образцом во время удара, сопровождающегося разрушением материала.

Ударная вязкость – способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки (рис. 5).

Обычно оценивается работой, необходимой для деформации и разрушения призматического образца с односторонним поперечным надрезом при испытании на ударный изгиб, условно отнесённой к сечению образца в основании надреза; обозначается символом ан (Дж/м2, Н∙м/см2, кгс∙м/см2).

В настоящее время (ГОСТ 9454 – 78) применяют следующие обозначения: KCV (V – образный концентратор, радиус при вершине 0,25 ± 0,025 мм), КСU (радиус концентратора 1 ± 0,07 мм) и КСТ (образец с усталостной трещиной). Параметром KCV оценивают пригодность материала для сосудов давления, трубопроводов и других конструкций повышенной надежности. КСТ характеризует способность материала тормозить начавшееся разрушение. Для хрупкого, эксплуатационно-ненадежного материала КСТ = 0, т. е. процесс его разрушения идет без затраты работы. Чем он выше, тем выше надежность материала в условиях эксплуатации. Его учитывают при выборе материала для конструкций особо ответственного назначения (летательных аппаратов, роторов турбин и т. д.). Ударная вязкость зависит от скорости, с которой наносится удар, температуры, формы и размеров образца. Она резко снижается при высоких ударных скоростях.

Испытаниям на ударную вязкость подвергаются стандартные образцы. Эти образцы квадратного сечения имеют посередине надрез, назначение которого состоит в том, чтобы сосредоточить максимальную энергию удара в наименьшем объеме материала. Такие искусственные дефекты больше естественных, внутренних дефектов материала (трещин, пузырей и др.). Получили применение три вида образцов, отличающихся формой надреза и именуемые по фамилиям ученых, впервые применивших их в испытаниях: Менаже, Шарпи, Дроздовского (рис.6). Форма, размеры и способ обработки места надреза оказывают большое влияние на результаты испытания: чем глубже и острее надрез или чем грубее он сделан, тем меньшее значение ударной вязкости получится. Результаты испытания зависят также от того, как образец вырезался: вдоль или поперек волокна материала.

Ударные испытания проводятся на установках, называемых копрами (рис. 8; 9 б; 10). Копер представляет собой тяжелый маятник, смонтированный на вертикальной станине и вращающийся в вертикальной плоскости. Маятник копра (рис. 10) состоит из тяжелого молота 1, укрепленного на подвеске 2. Молот имеет паз, в который вставлен закаленный нож 4. Перед началом испытания маятник взводится и с помощью собачки 5 закрепляется на подъемной раме 6, которая может устанавливаться на различной высоте и удерживаться в этом положении собачкой 7, упирающейся в храповик 8. Для предотвращения самопроизвольного спуска на подъемной раме устроено предохранительное приспособление в виде поворотного запора с фиксатором, запирающее защелку 5 маятника.

Чтобы маятник после разрушения образца не качался, копер снабжен тормозом 10, приводимым в действие при обратном ходе: лента феррадо, наклеенная на стальную ленту, крепится одним концом к станине 24, а другой конец винтами прикреплен к кронштейну 12, который может свободно поворачиваться вокруг оси. В случае проскальзывания молота усилие торможения регулируется натягом пружины механизма нагружения 22. Для удобства экспериментатора желательно, чтобы молот затормаживался в вертикальном положении. Во всех случаях, кроме торможения, молот должен проходить над лентой с зазором не менее 2-3 мм.

При производстве испытаний оба конца образца 25 устанавливаются на 2 закаленные опоры 26, укрепляемые на станине копра 24. Расстояние между опорами может изменяться в пределах от 40 до 100 мм и зависит от размеров образца и условий испытаний. Необходимо, чтобы они были расположены симметрично относительно оси ножа маятника. Для установки образца по высоте служат 2 угольника 30, которые можно перемещать относительно опор 26 и закреплять в любом положении гайками 30. Опоры позволяют испытывать образцы минимального сечения 10×10 мм и максимального 30×30 мм. При этом расстояние между опорами во избежание возможности заклинивания образцов, должно быть больше двойной толщины образца плюс толщина ножа.

Шкала 32 отсчетного механизма имеет двойной ряд делений, расположенных симметрично относительно нулевой риски. Две стрелки: левая 33 и правая 34 посажены на специальную втулку. Поводок 35 поочередно ведет ту или иную стрелку и оставляет их в положении, фиксирующем угол взвода и взлета маятника перед изломом и после излома образца соответственно. Перед началом работы необходимо проверить, чтобы при свободно висящем маятнике указатели обоих стрелок совпали с нулевым делением шкалы.

Для вязких материалов излом волокнистый, матовый; для хрупких – кристаллический, блестящий. Если материал обладает ограниченной вязкостью, образуется смешанный излом (кристаллический и матовый), который представлен на рис. 7. В соответствии с теорией разрушения начало процесса излома происходит путем распространения вязкой (стабильной) трещины, пока напряжение в ее устье, не достигнет величины, равной теоретической прочности материала, после чего наступит хрупкое разрушение. Оно может приостановиться или вследствие затупления трещины или изменения напряженного состояния. Таким образом, хрупкое разрушение ограничивается квадратом в середине образца, легко различимым невооруженным глазом. Хрупкий квадрат не обязательно располагается точно в середине сечения, а может находиться на разном расстоянии от надреза. Для высокопрочных и очень мелкозернистых сталей не обнаруживается хрупкого квадрата: участки хрупкой составляющей равномерно распределены и перемежаются с вязкими участками.

Так как при ударной пробе не определяется величина действующего усилия и соответствующего ему напряжения, результаты не могут быть использованы непосредственно при расчетах на прочность. Но они важны для качественной оценки и степени надежности материала, которая зависит от влияния надрезов, резких изменений форм изделий, внутренних и наружных микро-, и макротрещин. В связи с этим и благодаря простоте их проведения испытания на ударную вязкость являются одним из самых распространенных методов оценки качества материалов, а также применяются для определения порога хладноломкости, характеризующего склонность металла к переходу от вязкого к хрупкому разрушению. Надёжная эксплуатация его возможна лишь при температурах, лежащих выше порога хладноломкости. Если материал должен работать в условиях низких температур, проводятся ударные испытания при низких температурах, когда вязкость несколько уменьшается.

Большинство важнейших конструкционных материалов (стали) склонны к охрупчиванию при понижении температуры работы. Значение этой температуры является важнейшим критерием надежности материала в работе и обязательно должно учитываться конструктором при выборе материала для конкретного назначения. Критический интервал хрупкости чаще всего устанавливают путем динамического испытания на изгиб серии ударных образцов при различных температурах. На основе этих данных строится диаграмма изменения ударной вязкости в зависимости от температуры испытания. На рис. 11 Т1 – верхний температурный порог хрупкости, Т2 – начало сильного разброса значений ан, что имеет место в интервале температур Т2 – Т3. При Т3 разброс значений ан исчезает и при испытаниях всех образцов при Т £ Т3 имеет очень низкие значения ан (15-20 Н×м/см2 и ниже). Температура Т3 является нижним порогом хладноломкости (хрупкости). Более точно температурные пороги Т1 и Т3 устанавливают не по значению ан, а по изменению строения излома. В этом случае, верхний порог хладноломкости – минимальная температура, при которой излом является еще полностью волокнистым; нижний порог – максимальная температура, при которой излом полностью кристаллический (блестящий).

Рис. 11. Изменение ударной вязкости в зависимости от температуры испытания	Рис. 12. Зависимость ударной вязкости от температуры испытания мелкозернистой (1) и крупнозернистой (2) стали 22; ↔ – температурный запас вязкости

О пригодности материала для работы при заданной температуре судят по температурному запасу вязкости, равному разности температуры эксплуатации и t50 (температура, соответствующая равным долям (50 %) хрупких и вязких участков разрушения в изломе). При этом, чем ниже температура перехода в хрупкое состояние по отношению к рабочей температуре, тем больше температурный запас вязкости и выше гарантия от хрупкого разрушения. На рис. 12 показан случай, когда ударная вязкость двух сталей при температуре эксплуатации 20 °С одинакова. Однако переход в хрупкое состояние стали 1 (мелкозернистой) заканчивается при – 40 °С, а стали 2 (крупнозернистой) – при 0 °С. По сравнению с температурой эксплуатации температурный запас вязкости у стали 1 составит 60 °С, а у стали 2 – лишь 20 °С, поэтому мелкозернистая сталь 1 более надежна в работе, т. к. возможное понижение температуры эксплуатации относительно расчетной при наличии в ней трещин и ударной нагрузки не вызовет в ней хрупкого разрушения.

Порядок выполнения работы

1.  Записать в отчет цели работы.

2.  Осмотреть копер, найти его конструктивные элементы.

3.  Осмотреть образцы, измерить их с точностью до 0,1 мм и вычислить площадь поперечного сечения в месте надреза:

F = a × b, (11)

где a и b – толщина и ширина испытуемого образца в месте надреза, см.

4.  Установить образец в опоры при помощи шаблона симметрично относительно опор и ножа маятника надрезом в сторону, противоположную удару (рис. 5).

5.  Отвести маятник весом G = 21 кг на заданную высоту Н и закрепить защелкой.

6.  Измерить угол подъёма маятника φ0.

7. 

Сбросить защелку и освободить маятник. Если излома образца не произошло (получился изгиб), испытание необходимо повторить на новом образце.

8.  Измерить конечный угол отклонения маятника φ1. после разрушения образца.

9.  Подсчитать работу А1, идущую на излом и затрачиваемую на преодоление вредных сопротивлений установки(трение на оси маятника, сопротивление воздуха):

А1 = G×(H - h) = G×R×(cos φ1 - cos φ0), (12)

где R – радиус маятника копра (R = 0,965 м).

10.  Определить работу, затрачиваемую на преодоление вредных сопротивлений, по холостому ходу маятника, когда он, будучи поднят на тот же угол φ0 , опускается и взлетает в обратную сторону на угол φ2 < φ0.

А2 = G×R×(cos φ0 – cos φ2). (13)

11.  Определить работу А3, затрачиваемую на преодоление вредных сопротивлений на участках φ0 и φ1, предполагая, что величины А2 и А3 относятся как пути, пройденные маятником, или как соответствующие углы поворота (φ0 + φ1) и (φ0 + φ2), т. е.:

. (14)

12.  Определить полезную работу А, затрачиваемую только на излом образца:

А = А1 – А3. (15)

13.  Определить ударную вязкость материала по формуле:

, (16)

где F – площадь поперечного сечения образца.

14.  Полученные результаты занести в табл. 5.

15.  Повторить действия в пунктах 4-14 для остальных образцов.

16.  Визуально пронаблюдать изломы образцов, найти в них зоны, описанные в теоретической части.

17. 

Из полученных данных сделать вывод об ударной вязкости испытуемых материалов.

Таблица 5

Результаты эксперимента

№ обр.

Материал образца

а, см

b, см

F, см2

G, кг

φ0, град

φ1, град

φ2, град

R, м

А1, Дж

А2, Дж

А3, Дж

А, Дж

ан, кгс×м/см2

1

21

0,965

2

…

3.  Содержание отчёта

1.  Цели лабораторной работы.

2.  Схема копра.

3.  Эскизы образцов.

4.  Результаты испытаний (табл. 5).

5.  Выводы по работе.

4.  Контрольные вопросы

1.  Зачем необходимо проводить ударные испытания?

2.  Какие детали работают в условиях ударных нагрузок?

3.  По какому критерию оценивают способность материала сохранять пластические свойства при динамическом нагружении?

4.  Что представляет собой ударная проба, и с какой целью она применяется?

5.  Как вычисляют ударную вязкость материала?

6.  Для каких изделий используют параметр KCV, КСТ?

7.  Как обозначают ударную вязкость? Единицы измерения?

8.  Можно ли использовать результаты ударной пробы при расчетах на прочность? Почему?

9.  Какой вид имеет излом для мягких сортов стали?

10.  Что такое порог хладноломкости?

11.  Какие виды образцов применяют при испытаниях?

12.  Как устроен маятниковый копер и его измерительное устройство?

13.  Как вычислить работу, затрачиваемую на излом образца, на преодоление вредных сопротивлений?

14.  Как оценивают потери на трение и сопротивление внешней среды при испытаниях на маятниковом копре?

15.  Описать методику проведения эксперимента.

Лабораторная работа №3

Тема: микроанализ железоуглеродистых сплавов.

Цели работы:

·  изучение устройства металлографического микроскопа МИМ-7 и приобретение навыков работы на нем;

·  изучение структуры железоуглеродистых сплавов.

Время, отведенное на проведение работы: 2 часа.

Необходимое оборудование, материалы:

металлографический микроскоп МИМ-7; набор микрошлифов.

1.  Теоретическая часть

Металлографический метод испытаний позволяет изучать внутреннее строение сплавов при помощи макроскопических и микроскопических анализов.

Макроанализ – исследование металлов невооруженным глазом или при помощи лупы при небольших увеличениях (до 30 раз). Его применяют при выборе места взятия пробы для микроанализа, при выявлении пористости, раковин, трещин, включений, неоднородностей по химическому составу и т. д.

Микроанализ – исследование металлов при больших увеличениях (от 01.01.01 раз) при помощи металломикроскопов. Применяют для определения химического состава некоторых составляющих и характера действия на них специальных веществ, участвующих в химической реакции; для выявления микропороков (пористости, раковин, трещин) и изменений внутреннего строения сплава, происходящих под влиянием различных режимов термической и химико-термической обработок, а также после внешнего механического воздействия на сплав.

Микроанализ широко применяют в металлургии, машиностроении и приборостроении для контроля многих видов продукции.

Подготовленная для исследования под микроскопом поверхность образца называется микрошлифом. Приготовление микрошлифов включает несколько этапов.

Образец вырезают из такого места в детали, которое давало бы характеристику внутреннего строения всего исследуемого материала или которое является наиболее важным в эксплуатационных условиях (интересует исследователя). Образцы из мягких материалов вырезают пилой, фрезой или резцом, при этом следует избегать значительных давлений. Образцы из твердых материалов вырезают карборундовыми кругами или электроискровым способом.

Поверхность образца выравнивают при помощи напильника (если сплав мягкий) или абразивного круга (если сплав твердый).

Полученную плоскую поверхность образца шлифуют при помощи шлифовальной шкурки с зернами различных размеров, (размер зерна шкурки изменяют в процессе шлифования от большего к меньшему). В процессе шлифования на поверхности образуются риски в виде впадин и выступов. При переходе с одного номера шлифовальной шкурки на другой шлиф поворачивают на 90° и шлифуют до полного удаления рисок, образованных в процессе предыдущей обработки; новые риски будут иметь меньшие размеры впадин и выступов.

Цветные металлы и сплавы следует шлифовать шлифовальной шкуркой, предварительно смоченной в керосине, а алюминий – шлифовальной шкуркой, натертой парафином, так как при шлифовании абразивные частицы, вырываемые из шкурки, и металлические опилки могут вдавливаться или царапать обрабатываемую поверхность. При шлифовании нельзя допускать деформации поверхности шлифа, так как это может привести к искажению результатов исследования.

Окончательно зернистость поверхности образца удаляют полированием при помощи быстровращающегося круга, обтянутого мягким сукном, замшей или фетром с применением полирующей смеси (взмученная в воде окись алюминия, окись хрома, окись железа или др.). Нажатие образца на круг должно быть незначительным (сильный нажим приводит к нагреванию и потемнению образца). Полированный нетравленый шлиф имеет вид светлого круга с зеркальной поверхностью; под микроскопом не просматриваются риски.

Титановые сплавы полируют в три операции: сначала на полировочном круге, покрытом свинцовой фольгой, на который подаётся водная суспензия порошка карборунда, потом – на круге из провощенного сукна водной суспензией кремнезема; и, наконец, – на суконном круге суспензией окиси алюминия.

В последнее время для полирования микрошлифов применяют электролитическое полирование: метод основан на местном растворении выступающих элементов поверхности образца, помещенного в электролитическую ванну и включенного в цепь в качестве анода (рис. 13). Катодом 1 является алюминиевая, никелевая или свинцовая пластина. Состав электролита и режим электрополирова-ния выбирают в зависимости от материала шлифа.

При прохождении тока протекает процесс электролиза, и выступы на поверхности шлифа растворяются, в результате чего поверхность постепенно становится зеркальной. Преимуществом этого метода является отсутствие нагартовки (уплотнения) поверхностного слоя и связанных с этим искажений структуры; также сокращается время изготовления шлифа.

Полированную поверхность образцов подвергают травлению определенным химическим реактивом (табл. 6), т. е. действию растворов кислот, щелочей или солей. В некоторых случаях целесообразно начинать изучение полированной поверхности в нетравленом виде для выявления неметаллических включений (шлаков, окислов, силикатов, графита и тому подобные). После травления поверхность тускнеет. Реактивы для травления выбирают в зависимости от состава, структурного состояния сплавов и цели исследования.

В процессе травления микрошлиф полированной поверхностью погружают в реактив выбранного состава, медленно перемещают в нем во избежание неравномерного травления и выдерживают определенное время до появления на полированной поверхности матового оттенка. После травления неоднородные участки металла или сплава становятся видными под микроскопом. Если после травления поверхность осталась блестящей или структура сплава не выявляется отчетливо под микроскопом, то шлиф необходимо дополнительно выдержать в реактиве. Передержанный в реактиве при травлении шлиф приобретает темную поверхность, и в этом случае структура сплава также не выявляется отчетливо под микроскопом.

После травления поверхность промывают водой, протирают спиртом или бензином и удаляют влагу фильтровальной бумагой. Так как различные структурные составляющие сплава обладают различным электродным потенциалом, то при наличии травителя (кислоты, щелочи или соли), одни структурные составляющие сплава, имеющие более электроотрицательный электродный потенциал, будут являться анодами и растворяться, другие структурные составляющие, с более положительным электродным потенциалом, будут катодами и сохраняться неизменными.

Таблица 6

Состав основных реактивов для травления

черных и цветных металлов

Состав реактива	Условия травления	Примечание
Травление стали и чугуна
5 мл азотной кислоты, 95 мл этилового спирта	Продолжительность травления 3 – 8 сек	Применяется для травления стали и чугуна после любых видов термической или химико-термической обработки
5 мл пикриновой кислоты; 100 мл этилового спирта	Продолжительность травления – от нескольких секунд до 1 мин и дольше	Хорошо отделяет феррит от перлита
Травление высоколегированной стали
10 мл азотной кислоты; 20 – 30 мл соляной кислоты; 20 – 30 мл глицерина	Перед травлением образец подогреть в воде. Продолжительность травления 10 – 30 сек	Выявляет хромистые и хромоникелевые стали
1 мл пикриновой кислоты; 5 мл соляной кислоты; 100 мл этилового спирта	Применяется в холодном состоянии	Выявляет структуру нержавеющих и жароупорных сталей
3 мл концентрированной соляной кислоты; 1 мл концентрированной азотной кислоты		Для травления нержавеющих сплавов и сплавов с высоким содержанием никеля или кобальта
Травление цветных металлов и сплавов
5 г хлорного железа; 50 мл концентрированной соляной кислоты; 100 мл воды	Травление погружением или легким протиранием до желаемого результата	Выявляет структуру меди, латуни, бронзы
20 мл серной кислоты; 80 мл воды	Травление погружением в течение 30 сек при 70 °С	Выявляет структуру сплавов: алюминий-медь–железо-марганец; алюминий-медь-железо
25 мл концентрированной азотной кислоты; 75 мл воды	Травление погружением в течение 40 сек при 70 °С	Выявляет микроструктуру сплавов алюминий-железо–кремний
1 мл концентрированной фтористоводородной кислоты; 1,5 мл концентрированной соляной кислоты; 2,5 мл азотной кислоты; 95 мл воды	Травление погружением в течение 20 сек. Обмыть под струей теплой воды	Выявляет микроструктуру сплавов типа дуралюмина

В результате неодинаковой стойкости к травлению структурных составляющих сплава на поверхности образца проявляется микрорельеф. Структура, травящаяся сильнее, кажется под микроскопом более темной. Границы зерен чистых металлов будут видны под микроскопом в видетонкой сетки (рис. 14). Часто зерна одного и того же металла травятся по-разному, что объясняется явлением анизотропии. В сечении шлифа зерна перерезаны по различным кристаллографическим плоскостям, а так как свойства зерен в различных сечениях неодинаковы, то и растворение каждого зерна под действием реактива различно (рис.15).