Министерство образования и науки Российской Федерации

Южно – Российский государственный политехнический университет (НПИ)

имени М.И.Платова

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ

Учебно-методическое пособие к лабораторным работам

по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов»

Новочеркасск

ЮРГПУ (НПИ)

2 013

УДК 621.785 (076.5)

ББК 34.651

Рецензент: д-р техн. наук, проф. кафедры «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование» ЮРГПУ (НПИ) имени М.И.Платова А. В. Скориков

Структура и свойства металлических сплавов: Методические указания к лабораторным работам / Составители: В. И. Устименко, Д. А. Локтионова, Б. М. Симилейский, А. Г. Сычев, В. А. Червоный, Юж.-Рос. политехн. ун-т. - Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2013. – 56 с.

В методических указаниях рассмотрены методы макро- и микроструктурного анализа металлов и сплавов, диаграммы состояния, структуры и свойства двойных сплавов, диаграмма состояния «железо – углерод», показана связь между строением и свойствами сталей и чугунов, их маркировка и применение, изложены теоретические основы термической обработки, приведены методы управления структурой и свойствами стали с помощью различных видов термической обработки.

Методические указания предназначены для студентов направлений 190700, 190109,151900, 190601,150400 очной и заочной форм обучения.

© Южно – Российский государственный

политехнический университет

(Новочеркасский политехнический

институт), 2013

Содержание

1. Лабораторная работа № 1. Макроструктурный анализ………………..….. 2. Лабораторная работа № 2. Микроструктурный анализ…………………… 3. Лабораторная работа № 3.Анализ диаграмм состояния двойных сплавов………………………………………………………………………….. 4. Лабораторная работа № 4. Анализ диаграммы состояния сплава железо-цементит. Микроструктура и свойств углеродистых сталей……… 5. Лабораторная работа № 5. Изучение чугунов……………………………... 6. Лабораторная работа № 6. Влияние термической обработки на структуру и свойства стали 40………………………………………………...

4 11 18 29 38 48

Лабораторная работа № 1 макроструктурный анализ

Цель работы: ознакомиться с макроструктурами сплавов, возможностями анализа изломов, макрошлифов и отпечатков с них, связью между макроструктурами, способами получения материалов и их свойствами.

План работы

1. Изучить лабораторную коллекцию изломов.

2. Рассмотреть макрошлифы и образцы серных отпечатков.

3. Исследовать связь между макроструктурой, способами получения изделий и последующей технологической обработкой.

Пояснения к работе

Макроструктура – строение металлов, видимое невооруженным глазом или с небольшим увеличением до 30 крат при помощи лупы или микроскопа.

Макроструктурный анализ заключается в изучении свежих изломов, специально приготовленных образцов – макрошлифов, либо отпечатков, снятых со шлифов. При этом одновременно наблюдают большую поверхность, что позволяет получить представление об общем строении металла.

С помощью макроструктурного анализа можно установить:

- каким способом получена заготовка (литьем или обработкой давлением);

- подвергалась ли деталь термической или химико-термической обработке;

- под действием каких нагрузок работало изделие (статических или циклических);

- наличие в материалах дефектов, полученных в результате нарушения технологических режимов термической обработки или горячей обработки давлением.

Изучение макроструктуры по изломам (фрактография*)

Качество металлов, наряду с уровнем свойств, определяется характером их разрушения, который можно установить по виду излома. По изломам судят о методах получения, обработки и нагружения деталей, что позволяет выявить определенную связь со свойствами материалов. Характеристика различных видов изломов представлена на рис.1.1, а их структуры – на рис.1.2.

Основные виды изломов разделяют на кристаллические и волокнистые.

Кристаллические изломы характеризуются размером, формой и взаимным расположением составляющих макрокристаллов.

* Фрактография: от лат.  fractus «излом»+греч. grapho «пишу, рисую» -

исследование изломов

Рис.1.1

Рис. 1.1. Классификация и характеристика изломов

Они возникают в результате хрупкого разрушения за счет отрыва одной части кристалла от другой.

а) б) в)

г) д) е)

Рис.1.2. Виды изломов: а) – крупнокристаллический;

б) – мелкокристаллический; в) – фарфоровидный; г) – камневидный;

д)– нафталинистый; е) – волокнистый

Крупнокристаллический блестящий излом наблюдается у литых сплавов.

Мелкокристаллический излом характерен для термообработанных отливок из углеродистой или легированной стали.

Фарфоровидный излом образуется у твердой закаленной стали. Он имеет светло-серый матовый цвет без видимых признаков кристалличности, на котором наблюдаются отдельные рубцы, называемые линиями разрушения.

Камневидный излом образуется у конструкционных сталей в результате перегрева при горячей обработке давлением после правильно выполненной термической обработки. Его однородная поверхность разрушения характеризуется грубозернистым строением, причем зерна (с металлическим блеском или без него) представляются как бы оплавленными. В таком изломе трещина разрушения проходит по границам крупных зерен, образовавшихся в момент перегрева.

Нафталинистый излом представляет собой внутризеренное хрупкое разрушение перегретой при термической обработке стали. Он отличается избирательным блеском кристаллографических областей, соответствующих исходным крупным зернам аустенита. Характерный оттенок и селективный блеск излома, меняющийся при изменении угла падения света, напоминает блеск нафталина.

Волокнистый излом наблюдается у металлов, подверг­нутых обработке давлением. Он представляет собой вязкое внутризеренное разрушение с явно выраженными приз­наками пластической деформации по всей по­верхности излома. Поверхность разрушения матовая (без ме­таллического блеска), темно-серого цвета, имеет направленное расположение волокон, называемое текстурой. У материалов с волокнистым строением (текстурой) наблюдается анизотропия свойств, т.е. их неодинаковость в разных направлениях. Это необходимо учитывать при проектировании детали и выборе технологии её изготовления. Сталь, имеющая устойчивое волокнистое строение из­лома, характеризуется наиболее высокой удар­ной вязкостью, пластичностью и повышенной хладостойкостью.

У деталей, работающих под действием циклических нагрузок при наличии концентратора напряжений, может произойти особый вид разрушения – усталостный излом (рис. 1.3).

На его схеме (рис. 1.3,б) указан очаг зарождения трещины 1 и две характе­рные зоны: 2 – зона прогрессивного развития тре­щины (зона усталости), имеющая матовый сглаженный вид, что обусловлено длительным притиранием поверхностей трещины; 3 – зона остаточного долома (у хрупких металлов она имеет крупнокристалличе­ское, а у вязких — мелкокристаллическое, либо волокнистое строение).

Процесс усталостного разрушения начинается с образования микротрещин в местах концентраторов напряжений, которыми могут служить резкие пе­реходы между различными сечениями, острые кромки, надрезы, грубо обработанные поверхности, поры, раковины, неметаллические включения и др. В процессе работы детали микротрещины объединяются в макротрещину, которая, постепенно развива­ясь, ослабляет сечение детали и вызывает рост напряжений. При достижении критического значения концентрации напряжений происходит практически мгновенный долом оставшегося «живого» сечения.

а) б)

Рис. 1.3. Макроструктура усталостного излома (а) и его схема (б): 1 – очаг

зарождения трещины; 2 – зона прогрессивного развития трещины (зона

усталости); 3 – зона долома

Материалы, полученные методом порошковой металлур­гии, могут иметь вязкое, хрупкое или смешанное разруше­ние в зависимости от технологического процесса их изготов­ления, химического состава, качества исходных порошков и др.