Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ для студентов специальности 050720 «Химическая технология неорганических веществ» по дисциплине «Материаловедение»

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Павлодарский государственный университет им. С. Торайғырова

Кафедра «Механика и нефтегазовое дело»

Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ

Для студентов специальности 050720 «Химическая технология неорганических веществ»

По дисциплине «Материаловедение»

Составитель:

доцент кафедры

«Механика и нефтегазовое дело»

Рекомендована на заседании кафедры «___» _________ 20__г.

Протокол № ___

Заведующий кафедрой ___________

Павлодар

Лабораторная работа №1 Определение твердости сплавов

методом Роквелла

2.1. Цель работы

Определение методикой определения твердости сплавов методом Роквелла.

2.2. Материальное оснащение

Для проведения работы необходимо иметь твердомер Роквелла, образцы из стали, цветных металлов и их сплавов.

2.3. Метод Роквелла

При измерении твердости методом Роквелла / Гост 9013-59/ наконечник / стальной или алмазный / вдавливают в образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок / рис. 2.1 / предварительной и общей :

Р=Р+ Р,

Где Р - общая нагрузка, Н;

Р- предварительная нагрузка, равная 100 Н / 10 кгс /;

Р- основная нагрузка, Н.

 

Рис.2.1. Схема испытания на твердость по методу Роквелла.

Число твердости по Роквеллу выражается в условных единицах и отсчитывается по шкале циферблата прибора.

Метод Роквелла отличается простотой и высокой производительностью, обеспечивает сохранения качественой поверхности после испытаний, позволяет испытывать металлы и сплавы при толщине изделия / слоя / до 0,8 мм. Этот метод не рекомендуется применять для сплавов с неоднородной структурой (чугуна). Для измерения твердости по Роквеллу наиболее распространенный прибор типа ТК/ТК-2, ТК-14-250/.

2.3.1. Подготовка образца к испытанию

Перед испытанием поверхность образца шлифуют. Толщина образца должна быть не менее 10- кратной глубины отпечатка.

Лабораторная работа №2 Макроскопический анализ сплавов

3.1.Цели работы.

Ознакомление с методами исследования макроструктуры и изучение характерных видов макро строения сплавов.

3.2.Материальные оснащение.

Для проведения работы необходимо иметь ;бинокулярный микроскоп, лупу, коллекцию образцов с характерными признаками макроструктуры.

3.3 .Исследования макроструктуры на макрошлифах.

Макроскопический анализ специально подготовленных макрошлифов является основным способом исследования макроструктуры металлов и сплавов. Макрошлифом называется специально подготовленная к микроисследованию часть детали, поковки, отливки и т. д.

Подготовка макрошлифа заключается в том что, из изделия /детали/ вырезаются специальные образцы /темплеты/, толщина не

Менее 15-25 мм. Поверхность детали зачищается на станке и шлифуется различными номерами шлифовальной бумаги, последовательно переходя от грубого номера к тонкому.

После шлифовки для выявления макроструктуры шлифа подвергаются травлению химическими реактивами, которые выбираются в зависимости от состава сплава или цели исследования.

Исследование макрошлифа позволяет установить:

1/строение металла /сплава / в литых деталях, слитка/форму и размеры зерен, наличие и характер распределения зон кристальному дефекту /:

2/химическую неоднородность /ликвацию/ элементов :

3/строение металла после прокатки, штамповки, ковки /волокнистость или полосатость /:4/ неоднородность состава, структуры и глубины слоя после термической, химико-термической обработки.

3.3.2.Исследование изломов.

Одним из методов изучения структуры металлов,/сплавов / является макроскопическое исследование изломов. Изломом называется поверхность полностью разрушенности металл.

Излом дают сведения о структуре металла, процессе его металлизации. качество термической и химико-термической обработки. Излом позволяет судить о размере зерна металла :степени дисперсности его структуры, о загрязнение металла неметаллическими шлаками.

3.3.3.Иследование поверхности неразрушенного изделия.

Макроскопический анализ сплавов непосредственно на поверхности детали, заготовки или слитка находит ограниченное применение. В основном он применяется для выявления металлургических дефектов – пор, раковин, рыхлости, трещин и т. п. Для очистки поверхности и более четкого выявления дефектов можно производить травление исследуемой поверхности реактивами для глубокого травления.

3.4 Задания по работе

Ознакомиться с методами макроскопического анализа сплавов и привести зарисовки изученной макроструктуры образцов с подробной характеристикой.

Лабораторная работа №4 Микроструктурный анализ сплавов

4.1 Цель работы

Ознакомление с устройством микроскопа ИМ – 7 и методикой изготовления микрошлифов.

4.2 Материальное оснащение

Для проведения лабораторной работы: металлографический микроскоп, шлифовально – полировальный станок и образцы сплавов.

4.3 Металлографические микроскопы

Металлографические микроскопы позволяют рассматривать в увеличенном виде непрозрачные объекты – микрошлифы в отраженном свете. Исследование структуры металлов с помощью микроскопа называют микроструктурным анализом. Микроскоп для изучения строения стали был впервые применен в 1831 году инженером – металлургом (1797 и живет по ныне) установившим, что свойства стали зависят от ее структуры.

Качество оптического металломикроскопа определяется следующими основными характеритстиками:

1/ разрешающей способностью микроскопа;

2/ общим увеличение микроскопа.

Разрешающей способностью микроскопа называется минимальный размер частицы, у которой крайние противоположные точки видимы раздельно, не сливаясь в одно пятно.

В оптическом микроскопе нельзя увидеть частицы размером меньше 0,21 мк.

Общее увеличение микроскопа равно произведению увеличения объектива на увеличение окуляра:

Пм=Поб*Пок,

где Пм - общее увеличение микроскопа;

Поб - увеличение объектива;

Пок - увеличение окуляра.

4. Металлографический микроскоп ММ – 7 .4.

Наибольшее распростронение для изучения микроструктуры металлов и сплавов получил металлографический исследовательский микроскоп ММ – 7. Он предназначен для наблюдения и фотографирования микроструктуры сплавов в светлом и темном поле, а также поляризованном свете. Увеличение при визуальном наблюдении достигается от 01.01.01, а при фотографировании – от 01.01.01.

Металлографический микроскоп ММ – 7 состоит из механической, оптической и осветительной системы.

4.Механическая система микроскопа.

Механическая система микроскопа должна обеспечивать жесткость, точность установки отдельных узлов, возможность регулировки и смены элементов схемы. Она состоит из 1, предметного столика 2,

4.Оптическая система микроскопа.

Оптическая система микроскопа состоит из объектива, окуляра и ряда вспомогательных оптических элементов – линз, зеркал, призм и др.

На рисункеПриведена оптическая схема микроскопа. Свет от осветительной лампы 1 проходит через коллектор 2 и падает на зеркало.

Отразившись от зеркала, свет проходит через светофильтр 4, апертурную диафрагму 5, линзу 6, фотозатвор 8, полевую диафрагму 9, пентапризму 10, линзу 11 и падает на зеркало 15, установленное под углом 450 к оси тубуса. Свет от зеркала 15, пройдя оптическую систему объектива 14, падает на полированную поверхность образца 13, отраженные лучи от которого вновь проходят через объектив 14, зеркало 15, линзу 17 и падают на зеркало 18. От этого зеркала отраженные лучи попадают в систему окуляра 19.

Для фотографирования визуальный тубус с оптической системой 19 и зеркалом 18 следует выдвинуть на себя до отказа. Лучи при этом проходят через фотоокуляр 21 и, отразившись от зеркала 22, падают на матовое стекло 23 фотокамеры, где и образуют изображение.

 

4.4.3. Осветительная система микроскопа.

Осветительная система микроскопа состоит из источника света, серии линз, зеркал, диафрагмы, и светофильтров. В микроскопе МИМ-7 применяют кинопроекционную лампу К-30, которая пригодна как для визуального наблюдения, так и для фотографирования.

Количество и интенсивность света регулируется с помощью набора светофильтров. В осветительную систему микроскопа включены диафрагмы – апертурная, полевая и кольцевая. Апертурная диафрагма служит для регулирования потока света. Полевая диафрагма ограничивает размер поля зрения. Кольцевая диафрагма применяется при исследовании объектов в тёмном поле.

4.5. Приготовление микрошлифов.

Микроструктурный анализ производят по специально подготовленным образцам – микрошлифом. Механический метод является наиболее старым и распространённым при подготовки микрошлифов из сплавов. Наиболее удобным микрошлифом является цилиндр диаметром 10-12 и высотой 10-15 мм и параллелепипед со сторонами основания 10-12 мм при той же высоте.

Для приготовления шлифа необходимо вырезать образец из исследуемого сплава. Поверхность образца обрабатывают на токарном, строгальном и других станках или отпиливают напильником, а затем шлифуют и полируют.

Шлифуют образцы на шлифовальных станках или в ручную на шлифовальных бумагах различной зернистости абразива. Шлифовку следует производить не менее раздельно в 4-5 переходов. При переходе с одного номера бумаги на другой необходимо поворачивать шлиф на 900 и шлифовать в направлении, перпендикулярном риском от предыдущей бумаги, до тех пор, пока эти риски не будут полностью выведены. После промывки образца перейти к полировки его на войлоки или сукне с водной суспензией окислов металлов до полного удаления рисок. Большинство сплавов хорошо полируются окислами алюминия, хрома и магния.

Для выявления структуры шлиф травят химическими реактивами. Для травления железоуглеродистых сплавов очень часто применяют 3-4 процентный раствор азотной кислоты в тротиловом спирте. Протравленный шлиф промывают водой, сушат фильтровальной бумагой или тёплым воздухом.

4.6. Задание по работе.

Знакомится с устройством металлографического микроскопа МИМ-7 и методикой приготовления микрошлифов на шлифовально-полировочном станке механическим методом.

Лабораторная работа №5. Изучение диаграммы состояния железо-цементит

5.1. цель работы.

Изучение диаграммы состояния железо-цементит.

5.2. Диаграмма состояния железо-цементит.

Диаграмма состояний железо-цементит (рис. 5.1) дает представление о превращениях в железоуглеродистых сплавах (сталях, чугунах) в условиях медленного нагрева или охлаждения. В железоуглеродистых сплавах могут образовываться однофазные структуры – феррит, аустенит, цементит и двухфазные структуры – перлит и ледебурит.

5.2.1. Фазы и структурные составляющие диаграммы.

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в Fα. Он имеет ОЦК решетку. Максимальная растворимость углерода в высокотемпературном феррите достигает 0.1% при 14990 С, а в низкотемпературном феррите – 0.02% при 7270 С. При комнатной температуре растворимость углерода в феррите уменьшается до 0.006%. Феррит характеризуется малой прочностью (σВ=300 МПа), низкой твердостью (НВ = ), высокой пластичностью (δ= 40%, ψ= 70%) и хорошей ударной вязкостью (ксu = 2.5 Мж/м2). Под микроскопом феррит выглядит в виде светлых зерен (рис. 5.3а).

Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в Fe. Он имеет решетку, максимальная растворимость углерода в аустените составляет 2,14% при 1147С. При 727С растворимость углерода в аустените снижается до 0,8%. Аустенит при комнатной температуре пластичен /=50%/, но более прочен, чем феррит. Микроструктура аустенита приведена на рис. 5.3б.

Цементит – карбид железа FeC, содержащий 6,69 % С. Он имеет сложную ромбическую решетку. Цементит отличается высокой прочность высокой прочностью /МВ 3000/ и хрупкостью.

Перлит – эвтиктоидная смесь феррита и цементита. Перлит обрауется при распаде /при медленном охлаждении/ аустенита при 727С и содержит 0,8. Перлит прочен /=800-900 МПа/, достаточно тверд /МВ / и удовлетворительно пластичен /=16%, =10%/.

5.2.2. Фазовые и структурные превращения по диаграмме.

Точка А диаграммы соответствует температуре плавления /кристаллизации/ железа, равной 1539С. Точки G и N показывают начало полиморфных превращений железа. До температуры 911С /точка G/ железо имеет модификацию с ОДК решеткой с 911 до 1392С / точка N/ устойчивая модификация железа, которая имеет ГЦК решетку. С 1392С до температуры плавления опять устойчива Fe.

Точка Д показывает температуру плавления /затвердевания/ цементита, равной 1260С.

Линия АВСД называется линией ликвидус, выше которой все сплавы находятся в жидком состоянии. Линии АВ соответствует началу кристаллизации феррита из жидкого расплава, а линии ВС и СД – начало кристаллизации соответственно аустенита и цементита первичного. Таким образом, линия ликвидус является линией начала первичной кристаллизации.

Линия АНJECF называется линией солидус, ниже которой сплавы находятся в твердом состоянии, т. е. солидус показывает конец первичной кристаллизации сплавов.

Линия HJB – линия перитектичного превращения:

При взаимодействии жидкой фазы точки В с твердой фазой – ферритом точки Н образуется новая твёрдая фаза – аустенит точки J.

Линия ECF – линия эвтектического превращения:

При температуре 11470С на линии ECF из жидкой фазы одновременно выпадают кристаллы аустенита и цементита. Образующаяся эвтектика носит название ледебурит:

Л=А+Ц.

При температуре 7270С по линии PSK происходит эвтектоидное превращение:

При медленном охлаждении аустенит распадается на феррит и цементит, образующийся эвтектоид называется перлитом: П=Ф+Ц.

Линия GS показывает начало выделения феррита из аустенита.

SE – начало выделения цементита вторичного из аустенита PQ – начало выделения цементита третичного из феррита.

Рассмотрим процесс кристаллизации некоторых сплавов. При охлаждении сплава с содержанием углерода 1%, процесс его кристаллизации начинается при температуре, соответствующей точке t1 / см. рис.5.1./ с выделения кристаллов аустенита из жидкой фазы. Кристаллизация аустенита заканчивается в точке t2. При этом состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус ВС, а состав аустенита – по линии солидус JE, до точки t3 в сплаве происходит никаких фазовых превращений: сплав просто охлаждается. При температурах от t3 до t4 избыточный углерод по мере понижения температуры выделяется из решетки аустенита и образует с железом цементит /вторичный/. В точке t4 при температуре 7270С на линии PSK происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит, а далее охлаждение сплава со структурой П+Ц до комнатной температуры.

Процесс кристаллизации сплава с содержанием углерода 3% начинается с выделения кристаллов аустенита из жидкой фазы в точке t. При температуре 1147°С/точка t/ оставшаяся жидкость претерпевает эвтектическое превращение с образованием ледебурита. При температурах между линиями ECF и PSK сплав имеет структуру А+Л+ Ц. В точке t аустенит превращается в перлит и ниже линии PSK сплав будет иметь структуру П+Л+ Ц.

5.2.3. кривые охлаждения сплавов диаграммы

При построении кривых охлаждения сплавов диаграмм состояний применяют закон Гиббса или правило фаз:

Где С – число степеней свободы системы /вариантность/;

К – количество компонентов, образующих систему;

Ф – число фаз, находящихся в равновесии;

1 – число внешних факторов /температура/.

Число степеней свободы, или вариантность системы, называют число возможных вариантов изменения температуры, давления и концентрации фаз без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.

Рассмотрим построение кривой охлаждения сплава с содержанием углерода 1%. Сначала точки пересечения сплава с линиями диаграммы железо-цементит /см. рис. 5.1/, т. е. критические точки /начало и конец кристаллизации аустенита, начало выделения цементита и аустенита, перлитное превращение/ перенесем вправо на координату температура-время /рис. 5.2/. Кривую охлаждения сплава начинаем строить из облассти жидкого состояния /точка t/. При Ф=1, С=2-1+1=2, т. е. система бивариантна, таким образом, в однофазной области можно изменять температуру и концентрацию. Но состав жидкой фазы задан /1%С/, меняется температура и сплав охлаждается. Однофазному участку кривой охлаждения соответствует наклонная линия.

От t1 до t2 в равновесии находятся две фазы, С=2-2+1=1, т. е. система моновариантная, поэтому можно менять только температуру. Концентрация будет зависимой переменной. Процесс кристаллизации сопровождается выделением скрытой теплоты, поэтому скорость охлаждения стали замедляется. Двухфазному участку кривой охлаждения соответствует выпуклый участок. Допускается вместо выпуклого участка изображать на кривой охлаждения наклонную, но более пологую.

Ниже t2 происходит постепенно охлаждение аустенита, С=2. Однофазный участок на кривой охлаждения изображается, как мы уже знаем, в виде наклонной линии.

В точке t3 начинается выделение избыточного цементита вторичного из аустенита, Ф=2, С=1. Вновь на кривой охлаждения появится выпуклый участок.

При температуре t4/727°С/ аустенит достигает эвтектоидной концентрации и протекает превращение:

А+Цп → П/Ф + Ц/+ Цп.

В равновесии находятся три фазы аустенит, перлит и цементит, С=0, т. е. система нонвариантная. Процесс кристаллизации протекает при постоянной температуре. На кривой охлаждения сплава трехфазному равновесию соответствует горизонтальный участок.

Ниже температуры t4 ф= 2,С= 1.Н кривой охлаждения изображаем еще одну наклонную линию.

5.2.4 Применение правил концентраций и отрезков

Правила концентраций и отрезков применяют для определения состава и количества фаз сплава в двухфазовой области диаграммы. Допустим, что следует определить у сплава с 1% С, при температуре tn концентрацию углерода в фазах и количество жидкой и твердой /аустенита/ фазы. Для этого через данную температуру проводят горизонтальную линию /коноду/ до пересечения с линиями, ограничивающими данную двухфазовую область. Проекция точки пересечения коноды с линией ликвидус показывает содержание углерода в % в жидкой фазе, а проекция точки пересечения каноды с линией солидус - содержания углерода в аустените.

Для определения количества фаз используют правила отрезков. Так количество твердой фазы /аустенита/ при температуре tn определяется:

Масса или объем жидкой фазы

5.3. Задание по работе

Ознакомиться с компонентами, фазами и структурными составляющими диаграммы состояний железо - цементит. Рассмотреть процесс кристаллизации сплавов с различным содержанием углерода с применением правил фаз, концентраций и отрезков.

__ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ _

___ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __

_____ ____ ____ ___ ____ ____ __ ____ ___ ___ ____ ____ ___ ___ ___ ____ _________

Лабораторная работа №9 Изучение микроструктуры и свойств чугунов

9.1. Цель работы

Изучение микроструктуры чугунов и ознакомление с механическими свойствами их.

9.2. Материальное оснащение

Для проведения лабораторной работы необходимо иметь: металлографический микроскоп и коллекцию микрошлифов чугунов.

9.3. Чугуны

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14%. Также в состав чугуна входят кремний, марганец, сера, фосфор и другие элементы.

9.3.1. Белые чугуны

Чугуны, перлит и графит пластинчатый (рис. 9.2 в).

Рис.9.2. . Микроструктуры серых чугунов :

а) ферритного (со структурой феррит и графит пластинчатый);

б) ферритно-перлитного(кристаллизующиеся согласно диаграммы состояний железо – цементит называются белыми, где почти весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. По структуре белые чугуны бывают доэфтектические (2,14-4,3%), эвтектические (4,3%) и заэвтектические (4,3-6,69%). Доэвтектический белый чугун

имеет структуру перлит, цементит вторичный и ледебурит (рис. 9.1а), эвтектический - ледебурит (рис. 9.1 б), заэвтектический - цементит первичный и ледебурит (рис. 9.1 в). Белые чугуны используются для выплавки стали в сталеплавильных агрегатах и для получения ковкого чугуна путем отжига.

 

А) Б) В)

Рис. 9.1. Микроструктуры белых чугунов:

а)доэвтектического (со структурой перлит, цементит, цементит вторичный и ледебурит);

б) эвтектического (со структурой ледебурит);

в) заэвтектический(со структурой цементит первичный и ледебурит

9.3.2. Серые чугуны

Чугуны, кристаллизирующиеся согласно диаграмме состояний железоуглерод, называется серыми, где почти весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита пластинчатой формы. По структуре металлической основы серые чугуны подразделяются на три вида:

1)серый ферритный со структурой феррит и графит пластинчатый (рис. 9.2 а);

2) серый ферритно-перлитный со структурой феррит, перлит и графит пластинчатый (рис. 9.2 б);

3) ) серый перлитный со структурой со структурой феррит, перлит и графит пластинчатый );

в) перлитного (со структурой перлит и графит пластинчатый ).

 

Механические свойства серого чугуна зависят от структуры металлической основы и от количества, величины и характера распределения графитных включений. Чем больше в металлической основе перлита, тем выше прочность чугуна.

Серый чугун обладает высокими литейными свойствами, хорошо обрабатывается резанием, менее хрупок, чем белый чугун, и находит

наибольшее применение в машиностроении в качестве различных деталей и изделий, полученных различными способами литья и поэтому его называют литейным чугуном. Серый чугун по ГОСТ.1412-79 маркируют буквами СЧ (серый чугун ) и цифрами, показывающими значение предела прочности при растяжении. Например, серый чугун марки СЧ15 имеет =15 или 15*9.8150 МПА. Значение предела прочности у серых чугунов составляет 150-450 МПА.

Для повышения прочности серые чугуны модифицируют путем присадки модификаторов (ферросилиция, силикокальция и другие) в ковш перед разливкой. Структура модифицированного чугуна состоит из мелких, равномерно расположенных в металлической (перлитной, ферритной) основе, включений графита (9.3.), что способствуют повышению прочности и уменьшению хрупкости чугуна. Химический состав серых чугунов колеблется в следующих пределах: 2,2-3,770; 1-3%; 0,22-1,1% Мп; 0,.02-0,3%Р и 0.02-0,15% S.

9,3..3. Высокопрочные чугуны.

Высокопрочный чугун получают путём модифицированного серого чугуна магнием или церием, при этом графитные включения преобретают шаровидную форму. По структуре металлической основы высокопрочные чугуны бывают ферритные и перлитные.

Высокопрочные чугуны с шаровидной формой графитных включений обладают более высокой прочностью и некоторой пластичностью, чем серые чугуны, и заменяют ими стальные детали, работающие при ударных нагрузках (коленчатые валы, шестерни и другое).

Высокопрочный чугун имеет следующий химический состав: 3-3,6 %С; 1,1-2,9 % Si; 0,3-0,7 % л; до 0,2 % S и до 0,1 % Р. По ГОСТ7293-79 высокопрочный чугун маркируют буквами ВЧ (высокопрочный чугун) и цифрами, характеризующие значения предела прочности и относительного удлинения. Например, высокопрочный чугун марки ВЧ 38-17