Федеральное агентство морского и речного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА

имени адмирала С.О. МАКАРОВА

___________________________________________________________

КАФЕДРА ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ФЛОТА

Ю.А. Зорин

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

по дисциплине

«МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ и ТЕХНОЛОГИЯ

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»

Часть 1

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2016

УДК 621.1

ББК 34.2

ISBN

З 86 Зорин, Ю. А.

Материаловедение и технология конструкционных материалов.

Лабораторный практикум – СПб.: Изд-во ГУМРФ им. адмирала.

С.О. Макарова, 2016. –79 с.

ISBN

Соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту высшего образования по направлению подготовки (специальности) 26.05.06. «Эксплуатация судовых энергетических установок».

Содержит общие методические указания и описания лабораторных работ по курсу «Материаловедения и технологии конструкционных материалов» для курсантов 1-го курса и студентов 2-го курса заочной формы, обучающихся по специальности 26.05.06.

Приведены необходимые теоретические сведения и задания, прилагаются стандартные формы отчета и контрольные вопросы для проверки усвоения конкретных тем. В первую часть Практикума включены шесть тем, последовательно изучаемых в первую очередь. Во второй части предусмотрено описание еще шести лабораторных работ.

Рекомендовано к изданию на заседании кафедры Технической эксплуатации флота. Протокол № 9 от 17 мая 2016 г.

Рецензенты:

Костылев И.И., д-р техн. наук, проф., ГУМРФ им. адм. С.О. Макарова

ISBN ©ФГБОУ ВПО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова»,

2016

© Зорин Ю.А., 2016

Содержание

Список используемых обозначений и аббревиатур………………...4
Введение………………………………………………………………..5
Лабораторная работа № 1. Механические свойства конструкционных материалов и их показатели. Освоение методов оценки твердости металлических конструкционных материалов……………………………6
Лабораторная работа № 2. Исследование структуры КМ. Макроанализ и оптическая микроскопия …………………………………………………26
Лабораторная работа № 3. Изучение явления наклепа и рекристаллизации металлических конструкционных материалов………………..37 Лабораторная работа № 4. Изучение диаграммы состояния системы сплавов железо – углерод…………………………………………………45 Лабораторная работа № 5. Изучение структуры и свойств конструкционных чугунов………………………………………………………56 Лабораторная работа № 6. Изучение структуры и свойств неупрочненных нелегированных сталей………………………………………….66 Список используемых сокращений и аббревиатур КМ – конструкционные материалы σв – предел прочности при растяжении, МПа σт – предел текучести, МПа σ0.2 – условный предел текучести, МПа δ – относительное удлинение, % Δ – абсолютное удлинение, м; погрешность, % Ψ – относительное сужение, % Р – нагрузка, Н D – диаметр индентора, м d – диаметр отпечатка, м А – аустенит П – перлит Ф – феррит Ц1 – цементит первичный, Ц2 – цементит вторичный Л – ледебурит Ж – жидкая фаза τ – время, с Тпл – температура плавления, К Трек – температура рекристаллизации, К С – массовая доля углерода в сплаве, % o C – градус Цельсия А2 – точка Кюри – 768 o C t – температура по шкале Цельсия, o C НВ – твердость по Бринеллю НV – твердость по Виккерсу HRC, HRA, HRB – твердость по Роквеллу Часто используемые буквы греческого алфавита α – альфа β – бета γ – гамма δ, Δ – дельта ε – эпсилон λ – лямбда σ – сигма τ – тау ρ – ро ψ – пси Введение Описания лабораторных работ содержат необходимые сведения в минимальном объеме. Для более полного усвоения каждой темы надо обратиться к дополнительным источникам информации. Все лабораторные работы выполняются последовательно в соответствии с нумерацией. Для выполнения лабораторных работ каждый учащийся должен каждый раз самостоятельно изучить очередную тему, знать ответы на контрольные вопросы и иметь на руках оформленный отчет по предыдущей работе. Перед началом занятия преподаватель проводит выборочный контроль подготовленности к выполнению лабораторной работы. Неподготовленные студенты к работе не допускаются и направляются на дополнительное изучение материала. Выполнение лабораторных работ неуспевающими студентами организуется во время консультаций после вторичной проверки. Отчет по лабораторной работе должен быть сделан по стандартной форме, иметь разборчивый текст без грамматических ошибок, аккуратно выполненные графики и эскизы с отчетливым обозначением опытных или расчетных точек и откладываемых по осям координат величин. Каждый график, эскиз, рисунок или таблица должны иметь заголовок и номер. Не допускается вклеивание скопированных рисунков и схем. Выводы в конце отчета должны отражать сущность полученных результатов и новых понятий – терминов. Допускается при необходимости приложение к отчету дополнительного листа с эскизами или таблицами. Отчеты, оформленные небрежно, с отступлениями от перечисленных требований к защите не принимаются. При защите отчета на кафедре студент должен знать цель и содержание работы, методику ее выполнения, терминологию и четкие ответы на контрольные вопросы, приводимые в конце описания каждой работы или в приложении. Каждая защищенная работа – шаг к зачету или допуску к экзамену по дисциплине.

Лабораторная работа № 1

Тема: «Механические свойства конструкционных материалов (КМ) и их показатели. Освоение методов оценки

твердости КМ»

Цель данной лабораторной работы – изучение группы механических свойств, занимающих наиболее важное место среди остальных свойств КМ. Для практического освоения методов их количественной оценки выбрана твердость и метод ударного отпечатка, дополненный измерениями на приборе Роквелла.

Перед выполнением работы необходимо изучить и усвоить все разделы настоящего описания.

1. Деформации и напряжения в деталях конструкций.

Под действием сил тяжести, динамических и тепловых нагрузок любые детали деформируются – изменяют свою первоначальную форму и (или) размеры. Различают деформации при растяжении, при сжатии, при изгибе, при скручивании, при сдвиге. При растяжении, например, размер детали в направлении действующей силы увеличивается, а площадь поперечного сечения уменьшается, поскольку объем детали остается неизменным. Деформации, сохраняющиеся (остающиеся) после снятия нагрузки, т.е. после прекращения силового воздействия, называются остаточными, или, что одно и то же, пластическими. Деформации, исчезающие после снятия нагрузки, называются упругими.

Под действием одной и той же силы детали из конкретного материала деформируются на разную величину. Это зависит от площади поперечного сечения детали, перпендикулярного направлению действия силы – толстая деталь получает меньшую деформацию, чем тонкая. Чтобы сравнивать сопротивляемость деформациям разных материалов используют понятие напряжения. Напряжение – это нагрузка (сила), отнесенная к единице площади вышеупомянутого сечения, измеряется в МПа. Таким образом, чтобы оценить величину, например, нормального напряжения надо величину действующей силы (в ньютонах) разделить на величину площади сечения (в кв. м), перпендикулярного направлению действия силы.

2.Механические свойства КМ.

Основные свойства КМ объединены в пять основных групп: химические, физические, механические, технологические и эксплуатационные. Группа механических свойств отражает свойства КМ, проявляющиеся при воздействии механических нагрузок при заданной, обычно нормальной, температуре. В группу входят пять свойств: прочность, твердость, пластичность, упругость и вязкость. В некоторых пособиях и учебниках к механическим свойствам дополнительно относят такие свойства, как длительная прочность, кратковременная прочность, усталостная прочность и др. Эти свойства КМ следует относить к группе эксплуатационных свойств – свойств, зависящих от такого параметра, как время (τ).

Прочность – это сопротивляемость разрушению.

Твердость – сопротивляемость пластической деформации в малом объеме при внедрении в поверхность КМ индентора – стандартного тела определенной формы, изготовленного из весьма твердого материала и предназначенного для количественной оценки твердости. При внедрении в поверхность исследуемого КМ индентора, имеющего заведомо бóльшую в сравнении с КМ твердость, неизбежна пластическая деформация материала в области контакта с индентором. Чем меньше величина этой деформации, тем выше твердость. Прочность и твердость металлических КМ находятся в прямо-пропорциональной зависимости – более прочный материал имеет и бóльшую твердость.

Твердость металлов тесно связана с их обрабатываемостью и износоустойчивостью. Чем тверже металл, тем большее усилие требуется для его обработки; чем тверже металлическое изделие, тем меньше оно будет изнашиваться в процессе работы. Высокой твердостью должны обладать режущие и измерительные инструменты.

Пластичность – это способность КМ получать, не разрушаясь под действием внешних сил, бóльшую или меньшую остаточную деформацию.

Упругость – способность возвращаться к исходной форме и размерам после снятия нагрузки, вызвавшей деформацию. Фактически – это сопротивляемость пластической деформации. Поэтому прослеживается определенная взаимозависимость твердости и упругости (см. оценку твердости по методу Шора).

Вязкость – способность материала поглощать за счет пластической деформации работу внешних сил при ударе. Пластичность и вязкость качественно взаимосвязаны: с уменьшением пластичности уменьшается вязкость, увеличивается хрупкость – свойство, обратное вязкости.

В целом, механические свойства КМ в большинстве случаев взаимосвязаны таким образом: если растут прочность, твердость и упругость, то пластичность и вязкость падают.

Влияние температуры. Как правило, для большинства КМ с увеличением температуры в плюсовом диапазоне шкалы Цельсия пластичность и вязкость увеличиваются, а прочность, твердость и упругость уменьшаются. При минусовых температурах взаимосвязь механических свойств у разных КМ неоднозначна.

3. Количественные характеристики (показатели) механических свойств и методы их оценки.

Перечень механических свойств отражает только качественную сторону явлений. В количественном отношении разные КМ имеют разные механические свойства. Для сравнения механических свойств разных КМ, их выбора с целью использования в конкретной конструкции и выполнения конструктивных расчетов, например, расчетов на прочность деталей и конструкций, требуются количественные характеристики, называемые показателями – показатели прочности, показатели пластичности, показатели твердости и т.д. Показатели определяют опытным путем – проведением испытаний опытных образцов КМ или измерениями непосредственно на материале детали, как в случае твердости.

Любые, используемые при создании деталей и конструкций материалы, взятые как заготовки, имеют какую-либо товарную форму: лист, пруток, швелер, балка, слиток и т. д. Опытные образцы представляют собой небольшие по массе стандартные изделия, изготовленные из проб данного (конкретного) материала. Проба – это небольшой отделенный (вырезанный, отрезанный) от массива кусок КМ. В силу разных причин величины показателей механических свойств КМ в разных местах товарной формы неодинаковы. Поэтому важное значение имеет процедура отбора проб – в каком месте листа, прутка, балки и т.д. брать пробу, как вырезать и пр. Ведь результаты испытаний образцов, изготовленных из отобранных проб, в дальнейшем распространяют на весь материал. Для достижения наибольшей достоверности результатов и минимизации ошибок испытаниям подвергают одновременно несколько образцов (так называемую партию образцов) данного материала, изготовленных из разных проб. Для возможности сравнения получаемых в результате испытаний количественных характеристик механических свойств разных материалов все испытания проводят в стандартных условиях в соответствии с государственными или отраслевыми стандартами.

Для оценки показателей пластичности, упругости и двух показателей прочности проводят испытания на растяжение [1] образцов на специальной разрывной машине. В результате весьма непродолжительного испытания машина разрывает стандартный образец на две части и выдает график процесса растяжения до момента разрушения образца в координатах: удлинение (приращение длины) образца (Δl, м) – растягивающее усилие (F, Н). Обрабатывая эти опытные данные получают два показателя пластичности – относительное удлинение δ₅ или δ₁₀ (в зависимости от типа образца: короткого или длинного), % и относительное сужение ψ, %, а также величины напряжений в образце в характерные моменты его растяжения. Эти напряжения называются пределами. Наименьшее напряжение, при котором обнаруживается остаточная (пластическая) деформация, называется пределом упругости σ_уп, МПа. Область упругих деформаций на диаграмме растяжения отражает прямолинейный участок. Здесь справедлив закон Гука: «действующее напряжение пропорционально деформации».

Минимальное напряжение, при котором образец пластически деформируется без заметного увеличения нагрузки, называется пределом текучести σ_т, МПа. Диаграмма растяжения образцов вязких металлов имеет так называемую площадку текучести – небольшой, почти горизонтальный (параллельный оси абсцисс) участок диаграммы. У более хрупких материалов площадка текучести отсутствует. Для них используют условный предел текучести σ_0,2, МПа – напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % начальной длины l образца. Наконец, наибольшее напряжение, которое образец испытывает при растяжении до разрушения называется пределом прочности при растяжении σ_в, МПа. Иногда используют другое название этого показателя: временное сопротивление (разрыву).

При проектировании в абсолютном большинстве случаев рабочие (действующие) напряжения в деталях машин и конструкций назначают существенно меньшими предела текучести σ_т с тем, чтобы материал работал в области упругих деформаций и к тому же меньших по величине. Если конструкции эксплуатируются в условиях повышенных и высоких температур, закон Гука не работает, поскольку развивается так называемая ползучесть, когда при постоянной величине рабочего напряжения (меньшего, чем σ_т) деформация детали непрерывно (во времени) и необратимо возрастает. Закон Гука неприменим также для некоторых материалов, проявляющих заметную ползучесть даже при комнатной температуре. В целом, всегда надо иметь в виду, что содержащиеся в справочной литературе данные о величине σ_в, σ_т, σ_0,2, δ₅, δ₁₀, ψ, а также показателей твердости (HB, HRC) КМ имеют ориентировочный характер, поскольку они получены в результате испытаний, условия проведения которых (кратковременность, статичность, нормальная температура) часто существенно отличаются от условий эксплуатации.

Другими важными показателями прочности, также определяемыми опытным путем – испытаниями до разрушения, являются предел прочности при сжатии σ_сж, МПа, предел прочности при кручении σ_τ, МПа и предел прочности при изгибе σ_и, МПа.

Показателем вязкости является ударная вязкость КС, МДж/м², определяемая по результатам испытаний на маятниковом копре партии образцов с надрезом [2]. Для большинства КМ ударная вязкость зависит от температуры. Поэтому указание величины КС всегда сопровождается примечанием, при какой температуре КМ она получена.

Показателем твердости КМ является число твердости – безразмерная величина или твердость в МПа. В любом случае показатель содержит информацию (обычно в виде аббревиатуры) о том, каким методом он получен.

Механические свойства и их показатели представлены в таблице Приложения №1.1.

4. Методы определения твердости КМ.

Для оценки твердости существует большое число методов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки [3]. В отличие от испытаний на растяжение испытания на твердость не сопровождаются разрушением образца. Выбор того или иного метода зависит от твердости испытуемого материала, его толщины, размеров испытуемой поверхности и формы детали. Наибольшее распространение получили следующие методы оценки (определения) твердости:

- вдавливанием индентора в виде стального закаленного шарика (метод Бринелля);

- вдавливанием индентора в виде алмазного конуса (метод Роквелла);

- вдавливанием индентора в виде алмазной пирамиды (метод Виккерса (Рис. 1.).

Рис. 1. Схемы определения твердости по методу а) Бринелля,

б) Роквелла, в) Виккерса.

В числе других методов стоит упомянуть: метод ударного отпечатка (метод Польди) [4, 5] – упрощенная разновидность метода Бринелля; метод Шора [6] – по высоте отскока стального бойка массой 2,5 г (используют для контроля твердости серии одинаковых готовых деталей, особенно, когда недопустимы любые отпечатки на их поверхности); метод царапания – по глубине царапины; ультразвуковой метод – по принципу ультразвукового контактного импеданса.

Метод Бринелля [7]. Испытания на твердость по Бринеллю производят на специальном прессе, имеющем рычажную систему грузов для создания давящей силы F, действующей на закрепленный в подвижной оправке шарик, который вдавливается в испытуемый образец КМ. Обычно используют стальные закаленные шарики диаметром D, равным 10, 5, 2,5, 2, или 1 мм. Шарик диаметром 10 мм используют при толщинах образца более 6 мм. При толщине менее 3 мм используют шарик диаметром 2,5 мм. После снятия нагрузки на поверхности испытуемого образца, заготовки или детали остается отпечаток в форме шарового сегмента (лунки) диаметром d (см. Рис. 1., а)) Чем тверже материал, тем меньше будет величина отпечатка, представляющего собой пластическую деформацию. При твердости металла более 450 единиц используют шарики из твердого сплава, при этом максимальная твердость не должна превышать 650 единиц.

Твердость по Бринеллю обозначается HB (Hardness Brinell) и определяется как отношение нагрузки F на шарик к площади отпечатка S:

HB = F ÷ S, МПа. Площадь S можно подсчитать, зная диаметр шарика и диаметр отпечатка. Можно также, не делая никаких расчетов, найти величину твердости по прилагаемой к прессу Бринелля таблице перевода диаметра отпечатков в числа твердости (см. Приложение № 1.2). Диаметр отпечатка измеряют при помощи имеющего шкалу микроскопа Бринелля.

Результат испытаний записывают, к примеру, так: 185НВ (в числах твердости, т. е. без указания размерности в старой системе единиц) или с указанием размерности: НВ1850 МПа. Пример записи при использовании в измерениях шарика из твердого сплава выглядит так: 600HBW.

Между твердостью металлов по Бринеллю HB и пределом прочности при растяжении σ_в имеется прямая зависимость (см. Приложение № 1.3), часто используемая для приближенной оценки σ_в.

Метод Бринелля имеет следующие недостатки: нельзя испытывать закаленную сталь, нельзя испытывать образцы КМ после химико-термической обработки (цементации, азотирования, цианирования) из-за незначительной толщины упрочненного обработкой слоя; нельзя испытывать весьма тонкие образцы; после испытаний на поверхности детали остаются заметными отпечатки индентора.

Метод Роквелла [8]. ГОСТ 9013-59 устанавливает метод измерения твердости по Роквеллу (шкалы А, В, С, D, E, F, G, H, K) при температуре 20 (+15…10) °С. Сущность метода заключается во внедрении в поверхность образца (или изделия) индентора в виде алмазного конуса (шкалы А, С, D), или стального сферического наконечника (шарика) под действием последовательно прилагаемых предварительного F₀ и основного F₁ усилий и в определении после снятия основного усилия глубины внедрения h, мм наконечника (см. Рис. 1., б)). В первом случае наконечник представляет собой маленький, закрепленный в оправке алмазный конус с углом при вершине 120 º – для весьма твердых КМ. Для более мягких материалов используется стальной закаленный шарик диаметром 1,588 мм (шкалы В, F, G) и 3,175 мм (шкалы Е, Н, К ). При испытаниях методом Роквелла на индентор действуют вначале предварительной нагрузкой в 100 Н, а затем полной фиксированной нагрузкой F, величина которой зависит от твердости и толщины испытываемого материала. Испытания проводят на специальном прессе (приборе) Роквелла. В лаборатории Материаловедения имеется модификация такого прибора – ТК-14-250. В этом приборе число твердости отсчитывается по циферблату, имеющему две шкалы: черную (шкала С) и красную (шкала В) и две стрелки. При использовании алмазного конуса дают нагрузку F = 1500 Н и отсчет ведется по черной шкале. В этом случае число твердости обозначается как HRC (Hardness Rockwell Cone). Для испытания очень твердых материалов, имеющих незначительную толщину, конус нагружают усилием F = 600 Н, отсчет показаний также ведется по черной шкале, а твердость обозначается как HRA. При испытаниях мягких материалов (алюминий, медь, латунь, незакаленная сталь и др.) используют стальной шарик при нагрузке F = 1000 Н, а отсчет показаний твердости ведется по красной шкале и твердость обозначается как HRB (Hardness Rockwell Ball). Порядок измерений прибором ТК-14-250 изложен в Приложении № 1.5.

Метод Роквелла благодаря высокой производительности, универсальности, простоте и небольшому размеру отпечатка, оставляемого на испытуемом материале, получил широкое распространение.

Метод Виккерса [9]. Индентор в приборе Виккерса представляет собой алмазную пирамидку с углом между противолежащими гранями равным 136 º (Рис. 1., в)). Пирамидка вдавливается в испытуемый материал перпендикулярно его поверхности усилием, выбираемым в зависимости от толщины испытуемого материала: чем материал тоньше, тем усилие F (нагрузка) берется меньше. В результате вдавливания алмазная пирамидка оставляет на образце или детали отпечаток, имеющий в сечении форму квадрата. Как и в методе Бринелля, твердость определяется отношением нагрузки F, действующей на индентор, к площади поверхности отпечатка S, но обозначается как HV: HV = F ÷ S, МПа. Площадь S подсчитывают по формуле после измерения длины диагонали отпечатка. Можно избежать подсчета площади, если воспользоваться имеющимися таблицами, в которых по длине диагонали отпечатка сразу находят число твердости.

Метод Виккерса отличается высокой точностью и незаменим при определении твердости тонких образцов и тонких поверхностных слоев металла после химико-термической обработки (ХТО). Малая величина отпечатка позволяет определять твердость мелких деталей, не портя их внешний вид. Угол 136 º между гранями пирамиды выбран не случайно, а с целью получения величин HV, близких к HB. Однако совпадение чисел твердости HV и HB имеет место только при значениях HB, не превышающих 400 единиц.

Твердость КМ не зависит от метода ее определения, но числа твердости, найденные разными методами могут не совпадать. Для их сравнения (сопоставления) составлены таблицы соответствия (см. Приложение № 1.4).