ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ВОДНЫХ КОММУНИКАЦИЙ»

________________________________________________________________

А.А. Кузьмин

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Лабораторный практикум

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2013

УДК669.075.8

ББК 34.2

Рецензенты: д.т. н., профессор Вихров Н.М.

д.т.н., профессор Цветков Ю.Н.

Кузьмин А.А., Материаловедение: Лабораторный практикум. – СПб.: СПГУВК, 2013. – с.151

Приведены краткие сведения из теории и даны описания порядка выполнения лабораторных и практических работ по основным разделам дисциплины Материаловедение.

Предназначено для студентов, обучающихся по техническим направлениям очной и очно-заочной формы обучения высших учебных заведений Федерального агентства морского и речного транспорта.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций.

УДК 669.075.8

ББК 34.2

© Санкт-Петербургский государственный

университет водных коммуникаций, 2013

Содержание

1. Механические свойства металлов и сплавов…………………..4

2. Макроанализ металлов и сплавов……………………………20

3. Микроанализ металлов и сплавов…………………………….28

4. Структуры чистых металлов и двойных сплавов…………...36

5. Изучение метастабильной диаграммы состояния сплавов

системы Fe – Fe₃C……………………………………………...49

6. Структура и свойства отожженной стали…………………….83

7. Структура и свойства чугуна.………………………………....95

8. Термическая обработка углеродистой стали………………..106

9. Прокаливаемость стали.……………………………………... 118

10. Химико-термическая обработка стали…………………….... 124

11. Исследование микроструктур легированной стали…………144

Лабораторная работа №1 Механические свойства металлов и сплавов

1. Цель и содержание работы

Цель работы: изучение методов определения основных механических свойств металлов и сплавов: прочности, упругости, пластичности, твёрдости, ударной вязкости.

Содержание работы: Получив партию образцов материалов по ГОСТ 1497-84 и партию по ГОСТ 9454-78, студенты определяют прочностные и пластические свойства образцов первой партии, а также твёрдость и ударную вязкость образцов второй партии. Результаты испытаний и расчётов оформляются в виде отчёта в табличной форме.

2. Определение прочности и пластичности

2.1. Основные понятия

Механические свойства – характеристики, определяющие поведение материала под действием внешних нагрузок.

Деформация – изменение размеров и формы тела под действием приложенной нагрузки.

В общем случае деформация складывается из двух частей, упругой и пластической. Упругая деформация исчезает после снятия вызвавшей ее нагрузки, а пластическая остается.

Механические свойства подразделяются на две группы:

прочностные свойства – характеризуют способность металла сопротивляться деформации и разрушению под действием нагрузки.

пластические свойства – характеризуют способность металла под действием нагрузки изменять форму без разрушений и образования трещин.

Механические свойства определяют с помощью испытаний:

статических, когда нагрузка возрастает медленно – это

испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, определение

твердости;

динамических (ударных) – испытания на ударную вязкость;

при переменных (циклических) нагрузках – испытания на усталостную прочность.

Рис.1. Схема испытательной машины

Испытательная машина состоит из следующих основных частей: 1 – фундамент разрывной машины; 2 – винт грузовой; 3 – нижний захват (активный); 4 – образец для испытаний; 5 – верхний захват (пассивный); 6 – датчик для измерения усилия растяжения; 7 – пульт управления с электроприводной аппаратурой; 8 – индикатор нагрузок; 9 – рукоятки управления; 10 – диаграммный механизм; 11 – соединительный кабель.

Прочность, пластичность и упругость определяются при испытании металлов на растяжение. Испытания выполняют на разрывных машинах различных конструкций (рис. 1), соответствующих требованиям ГОСТ 7855-84, на образцах плоской или круглой формы.

Изменение размеров и формы исследуемых образцов представлено (рис.2)

Принятые обозначения:

l_p и d₀ – начальные расчётные длина и диаметр;

l_p и d_p – расчётная длина и диаметр образца в области равномерной деформации;

l_k и d_k – конечная расчётная длина и минимальный диаметр образца в месте разрыва.

а б в

Рис. 2. Схемы цилиндрического образца на различных стадиях растяжения:

а – образец до испытания; б – образец, растянутый до максимальной нагрузки; в – образец после разрыва.

По результатам испытаний разрывная машина записывает диаграмму растяжения (рис. 3).

а б

Рис. 3. Схема машинных (первичных) диаграмм растяжения пластичных материалов: а – с площадкой текучести; б – без площадки текучести.

По оси абсцисс откладывается абсолютное удлинение образца в мм, по оси ординат – приложенная к нему нагрузка (P) в Н.

Для получения сравнимых результатов введено понятие «напряжение».

Напряжение () – отношение осевой нагрузки растяжения образца к начальной площади его поперечного сечения.

,

где Р – нагрузка, Н; F₀ – площадь сечения образца, мм².

Прочностные свойства:

предел пропорциональности σ_max – максимальное напряжение, до которого деформация образца пропорциональна напряжению;

предел упругости σ_0,05 – напряжение, при котором остаточное удлинение (после снятия нагрузки) достигает 0,05 % длины участка рабочей части образца;

предел текучести σ_T – наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки;

предел прочности (временное сопротивление) σ_В – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке P_max, предшествовавшей разрыву образца;

истинное сопротивление разрушению σ_И – напряжение, соответствующее нагрузке Р_И, в момент разрыва образца.

Пластические свойства:

относительное удлинение образца после разрыва

,

где l₀ – длина образца до испытаний, мм; l_k – длина образца после испытаний, м

относительное сужение образца после разрыва

,

где F₀ -- площадь сечения образца до испытаний, мм²; F_k -- площадь сечения образца (шейки) после испытаний, мм².

2.2. Порядок выполнения работы

Зарисуйте образцы, выданные преподавателем для испытания, измерьте их первоначальную длину l₀ и диаметр d₀, рассчитайте площадь сечения F₀;

проведите испытания на растяжение на разрывной машине и зарисуйте диаграмму растяжения;

измерьте усилия Р_T, P_И, Р_В и рассчитайте прочностные характеристики;

зарисуйте образцы после испытания, измерьте l_k и d_k, рассчитайте F_k, определите пластические характеристики  и .

Результаты измерений занесите в табл. 1.

Таблица 1.

Определение механических свойств металла при испытании на растяжение

№

Размеры образца

Усилия

Механические свойства

До испытания

После испытания

Прочностные

Пласти-ческие

l0, мм

d0, мм

F0, мм2

lk, мм

dk, мм

Fk, мм2

РТ, Н

PИ, Н

РВ, Н

σТ, Па

σВ, Па

σИ, Па

δ, %

Ψ, %

1

2

3

Ср.