metod416

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования - «Оренбургский государственный университет»

С.И. БОГОДУХОВ, Е.В. БОНДАРЕНКО, А.Д. ПРОСКУРИН, В.А. НЕДЫХАЛОВ, А.Г. СХИРТЛАДЗЕ, Р.М. СУЛЕЙМАНОВ, В.И. ЮРШЕВ, А.С. КИЛОВ, Е.В. КАЛМЫКОВ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве

учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров и магистров

«Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств» и дипломированных специалистов «Конструкторско-

технологическое обеспечение машиностроительных производств».

Оренбург 2004

1

ББК 34.5 я73 М34

УДК 621 (075.8)

Рецензент доктор технических наук, профессор Р.Т. Абдрашитов

Богодухов С.И., Бондаренко Е.В., Проскурин А.Д. и другие М34 Материаловедение и технологические процессы машино-

строительного производства: Лабораторный практикум/ Под общей редакцией Заслуженного деятеля науки РФ, член-корреспондента Академии инженерных наук РФ, доктора технических наук, профессора, заведующего кафедрой материаловедения и технологии материалов

Богодухова С.И. –Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. – 409с.

ISBN

Лабораторный практикум состоит из 16 лабораторных работ по материаловедению и 21 лабораторной работы по технологическим процессам машиностроительного производства и технологии конструкционных материалов. Каждая работа включает теоретическое изложение материала, описание методики проведения работы и контрольные вопросы для самоподготовки.

Лабораторный практикум предназначен для выполнения лабораторных работ по дисциплинам: «Материаловедение», «Технологические процессы машиностроительного производства» и «Технология конструкционных материалов» для студентов специальности 060800 (ЭУП); 100100 (ЭС); 100400 (Э); 180100 (ЭМ); 180400 (ЭП); 180700 (ЭТ); 120100 (ТМ); 120200 (МСК); 120600 (ТПИ); 150200 (ААХ); 170500 (МАХП); 170600 (МАПП); 190600 (ИДМБ); 210200 (АТП); 230100 (СТЭ); 240400 (ОБД); 290300(ПГС); 271300 (ПИМП).

2

Введение

Методические указания составлены в соответствии с рабочими программами курсов «Материаловедение», «Технологические процессы машиностроительного производства» и «Технология конструкционных материалов».

Целью лабораторного практикума является практическое изучение основных свойств материалов, основных технологических процессов в машиностроении.

В результате выполнения лабораторных работ студент приобретает знания по методам определения основных свойств материалов и их переработке, прогрессивных технологий, умения и навыки обработки результатов эксперимента, устанавливает связь между теоретическими основами и их практическим воплощением.

В каждой работе приведены относящиеся к ней основные сведения, порядок выполнения работы, содержание отчёта, контрольные вопросы для самопроверки. В конце пособия приведен рекомендуемый библиографический список.

Лабораторный практикум подготовили:

-по курсу материаловедение доктор технических наук, профессор Богодухов С.И. /1, 2, 3, 4, 8, 10, 11, 12, 13, 14/; кандидат технических наук, доцент Бондаренко Е.В. /1, 3, 10, 11/; кандидат технических наук, доцент Проскурин А.Д. /4, 6, 7/; кандидат технических наук, профессор Схиртладзе А.Г. /3, 13/; кандидат технических наук, доцент Килов А. С. /16/; преподаватель Калмыков Е.В. /5, 9, 15, 16/.

-по курсам технологические процессы машиностроительного производства и технология конструкционных материалов доктор технических наук, профессор Богодухов С.И. /18, 23, 33, 37/; кандидат технических наук, доцент Бондаренко Е.В. /19/; кандидат технических наук, доцент Проскурин А.Д. /19, 29, 30, 31, 36/; кандидат технических наук, доцент Не- дыха-лов В.А. /17, 18, 35/; кандидат технических наук, профессор Схиртладзе А.Г. /34, 35, 36, 37/; кандидат технических наук, доцент Сулейманов Р. М. /20, 21, 24/; кандидат технических наук, доцент Юршев В. И. /25, 26, 27, 28,

29, 31, 32/; кандидат технических наук, доцент Килов А. С. /22/.

Перед началом работы в лаборатории студент должен ознакомиться с правилами техники безопасности:

1) приступить к выполнению работ можно только с разрешения преподавателя, после проведённого им инструктажа по технике безопасности;

2) на занятии студент выполняет только ту работу, которая указана преподавателем. Переход на другое рабочее место, без разрешения преподавателя, не допускается;

3) включение и выключение лабораторного оборудования производится только преподавателем, учебным лаборантом или по их разрешению студентами;

3

4)при выполнении лабораторной работы необходимо быть предельно внимательным, сосредоточенным, не проявлять спешки, суеты, рассеянности;

5)категорически запрещается находиться в опасной зоне работающего оборудования и в расстёгнутой одежде;

6)не допускается работа на оборудовании в расстегнутой одежде и с распущенными волосами;

7)работать в лаборатории в отсутствии преподавателя или лаборанта, а также в неустановленное время без разрешения преподавателя – запрещается;

8)категорически запрещается студентам выполнять в учебной лаборатории экспериментальные работы, не связанные с учебным лабораторным практикумом, в отсутствие преподавателя.

4

Часть I Материаловедение

1 Лабораторная работа № 1

Макро- и микроскопический методы исследования металлов и сплавов

1.1 Цель работы

1.1.1Иметь представление о существующих методах исследования строения металлов и сплавов.

1.1.2Ознакомиться с методами макроскопического анализа и изучить характерные виды макроструктур

1.1.3Ознакомиться с устройством металлографического микроскопа, с методикой исследования микроструктуры металлов и сплавов, изготовлением шлифов.

1.1.4Научиться пользоваться металлографическим микроскопом для исследования микроструктуры

1.2 Общие сведения о микроструктурном методе исследования строения металлов и сплавов

Свойства металлов и особенно сплавов весьма разнообразны и обусловливаются, прежде всего, химическим составом, а затем строением или структурой.

Для изучения структур металлов и сплавов применяются прямые и косвенные методы. К числу прямых методов относятся:

1)исследование макроструктуры невооружённым глазом по виду изломов или шлифованных и протравленных макрошлифов;

2)исследование микроструктуры при помощи оптического микроскопа

сувеличением до 1500 раз, а также с применением электронного микроскопа

сувеличением до 200 тыс. раз;

3)исследование атомно-кристаллической структуры с помощью рент-

генографического анализа, позволяющего различать расстояния порядка

10-8 см.

К числу косвенных методов относятся: магнитный, дилатометрический, измерение электросопротивления и другие физические методы исследования, которые, хотя и не дают прямого изображения структуры, но всё же позволяют вскрыть кинетику происходящих в них превращений.

Кроме того, существуют методы исследования структуры путём определения твёрдости, микротвёрдости, механических и технологических свойств, а также проведения химического и спектрального анализов и пр.

5

1.3 Макроскопический анализ

Макроструктурным анализом или кратко макроанализом называется метод исследования строения металлов и сплавов невооруженным глазом или при небольших увеличениях - до 30 раз. Строение металлов, изучаемое при помощи макроанализа, называется макроструктурой.

Метод макроскопического анализа позволяет:

1)исследовать излом для установления характера разрушения;

2)выявить дефекты, нарушающие сплошность металла - рыхлость, газовые пузыри, трещины, усадочные раковины, флокены, расслоения, свищи и другие дефекты в литых заготовках или полученных обработкой давлением,

атакже в сварных швах;

3)определить характер первичной кристаллизации и дендритной структуры в слитках или литых деталях;

4)определить химическую неоднородность сплава (ликвацию, в частности, ликвацию углерода и вредных примесей серы и фосфора), шлаковые включения, неметаллические включения;

5)определить неоднородность строения сплава, вызванную последующей обработкой давлением;

6)определить неоднородность состава и структуры, возникающую после термической или химико-термической обработки, например, зону цементации в стали.

В задачу данного руководства не входит ознакомление со всеми видами дефектов, встречающихся в сталях, и методами их определения. Перечисленное выше должно способствовать пониманию того, что в металлах существуют многообразные факторы, нарушающие правильное строение металлов.

Изучение изломов - наиболее простой метод макроанализа. Этот метод прост и доступен. С помощью этого метода можно определить: форму и размеры зерен, разновидность излома, характер разрушения. Изучение металла по виду излома применяется для оценки качества металла. Например, мелкозернистый излом свидетельствует о более высоких механических свойствах, чем крупнозернистый.

По характеру разрушения различают три вида изломов: хрупкий, вязкий, а также усталостный (рисунок 1.1).

Хрупкий излом (рисунок 1.1 а) образуется при однократном статическом или динамическом нагружении без заметной предварительной пластической деформации. Излом имеет кристаллическое строение. Характерен для сталей, термообработанных на высокую прочность. В изломе обычно видно форму и размер зерен металла.

Вязкому излому (рисунок 1.1 б) предшествует значительная пластическая деформация. Излом имеет "волокнистое" строение, обусловленное сильной деформацией зерен.

6

ром и образует сернистое серебро, имеющее на фотобумаге темнокоричневый цвет, который указывает на участки, обогащенные серой.

Наиболее часто и характерно применение макроанализа для контроля сварных соединений. Его производят на макрошлифах с применением травления в специальных травителях.

Дефектами сварных соединений являются:

1)непровар - местное несплавление металла вследствие неполного расплавления кромок;

2)подрез зоны оплавления - местное углубление вдоль линии сплавления сварного шва;

3)трещины (продольные, поперечные, разветвленные, микротрещины, сетка трещин) сварного соединения, разрыв в сварном шве и прилегающих к нему зонах;

4)поры сварного шва - полости округлой формы наполненные газом;

5)неметаллические выключения - шлаковые, окисные и другие частицы в металле шва.

1.4 Микроскопический анализ

Микроскопический метод исследования металлов и сплавов или кратко микроанализ, предусматривает изучение структуры металла при помощи металлографического микроскопа. Между микроструктурой и многими свойствами металла существует достаточно определенная связь. Поэтому микроанализ имеет большое значение.

Микроскопический анализ включает: приготовление микрошлифа, выявление микроструктуры (травление), исследование структуры под микроскопом. Наблюдаемая в микроскопе картина строения металла называется микроструктурой. Микроструктура металлов и сплавов характеризуется количеством, формой и расположением фаз и размером зерна, которые влияют на механические свойства сплавов. Микроанализ применяется для определения формы и размеров зерен, для выявления микропороков металла - микротрещин, раковин, пористости, микровключений, ликвации.

1.5 Приготовление микрошлифов

Изучать структуру металла с помощью микроскопа можно лишь при отражении световых лучей от поверхности исследуемого металла. Небольшой отражающей способностью обладает ровная и плоская блестящая поверхность. Поэтому поверхность образца для микроанализа должна быть специально подготовлена. Образец, поверхность которого подготовлена для микроанализа, называется микрошлифом.

Микрошлиф представляет собой специальный образец металла, имеющий зеркальную поверхность, которая получается тщательным шлифованием и полированием.

8

Наиболее удобными для изготовления шлифов являются образцы цилиндрического или квадратного сечения диаметром или стороной квадрата 10-20 мм и высотой 15-30 мм. При изготовлении образцов малого размера из листов или проволоки следует применять зажимы или заливать их прозрачной пластмассой. Поверхность образца вначале выравнивается на абразивном круге, а затем подвергается шлифованию.

Шлифование проводят на наждачной шлифовальной бумаге разной зернистости, последовательно переходя от бумаги с крупным абразивным зерном к бумагам все меньшей зернистости.

Чтобы получить хорошее качество подготавливаемой поверхности образца шлифование с самого начала надо вести правильно и аккуратно. Нельзя переходить с крупнозернистой шлифовальной бумаги сразу на мелкозернистую. В этом случае грубые риски полностью не устраняются, промежутки между ними заполняются металлом, опилками, наждаком, и поверхность образца только с виду кажется хорошо подготовленной. После дальнейшей обработки поверхности (полирования, травления) легко растворимый металл и опилки будут удалены, и резко выступят грубые риски, которые придётся удалять повторным шлифованием.

При шлифовании также не следует сильно нажимать на образец для ускорения работы, что иногда практикуется, так как это может вызвать заметный нагрев шлифуемой поверхности и внедрение абразивных зёрен в металл, в результате чего на микрошлифе будут чёрные точки.

После шлифования необходимо смыть водой остатки абразива и приступить к полированию для удаления оставшихся мелких рисок.

Полирование осуществляется с помощью полировального станка, состоящего из обтянутого сукном диска, смачиваемого суспензией мелкого твёрдого порошка в воде. Частота вращения круга от электродвигателя 700800 об/мин. Во время полирования нужно постоянно смачивать диск, чтобы диск ни на секунду не был сухим, так как при этом он может окислиться и испортиться. В зависимости от материала и твёрдости образца могут применяться различные виды абразивов: оксиды алюминия, магния, хрома, пасты ГОИ.

Полирование заканчивается при получении зеркальной поверхности шлифа. Образец промывается водой и быстро высушивается прикладыванием полированной стороны к фильтровальной бумаге (осторожно); касаться пальцами полированной стороны нельзя, так как это портит шлиф.

С помощью металлографического микроскопа до травления на зеркальной поверхности шлифа можно наблюдать только дефекты (микротрещины, микропоры) и неметаллические включения (оксиды, сульфиды, нитриды, силикаты, графит) в чугунах. Для стали разработаны методы выявления природы неметаллических включений и оценка их количества. Количественная оценка может быть осуществлена путём подсчёта включений и путём сопоставления наблюдаемой под микроскопом картины со стандартными шкалами.

9

Для выявления микроструктуры полированную поверхность образца подвергают травлению. Травление производят в растворах кислот, щелочей, солей и в специальных реактивах. Однофазные структуры зерен различной кристаллографической ориентировки имеют различную степень растворения или окрашивания при воздействии реактива-травителя. На участках стыков зёрен (граница зерна) скапливается наибольшее количество примесей, концентрируются искажения решётки, и поэтому травимость увеличивается. Такая структура при рассмотрении под микроскопом будет представлять зёрна различной окраски с ясно различимыми границами.

При травлении многофазных структур отдельные фазовые составляющие – зёрна чистых металлов, твёрдых растворов или химических соединений дают различную степень растворения при воздействии реактиватравителя. После травления на поверхности шлифа вследствие разной травимости структурных составляющих образуется рельеф.

При освещении протравленного микрошлифа на металлографическом микроскопе лучи света будут по-разному отражаться от различно протравленных фазовых составляющих.

Фазовые составляющие, протравившиеся слабо, отразят больше лучей света и будут казаться светлыми; фазовые составляющие, протравившиеся сильно, отразят вследствие рассеяния света меньше лучей и будут казаться тёмными.

Наиболее часто применяют следующие реактивы для травления сталей и чугунов:

а) 4 %-ный раствор азотной кислоты в этиловом спирте (для углеродистых сталей и чугунов);

б) 4 %-ный раствор пикриновой кислоты в спирте (для закалённых ста-

лей);

в) пикриновая кислота и водный раствор едкого натрия для выявления карбидов.

Признаком протравления является потускнение поверхности шлифа. После травления микрошлиф промывают ватой, смочённой в спирте, а затем просушивают прикладыванием фильтрованной бумаги.

В результате травления должно быть чёткое выявление микроструктуры. Если структура недостаточно выявлена, следовательно, шлиф недотравлен и его травят повторно. Если структура получается слишком тёмная, следовательно, шлиф перетравлен. Тогда его нужно снова полировать и травить, уменьшив время выдержки или ослабив травитель.

При выявлении структуры металлов, отличающихся высокой химической стойкостью, не всегда удаётся выявить структуру при химическом травлении. В таких случаях следует применять электролитическое травление. Электролитическое травление проводят на специальной установке. Шлиф помещают в электролит. Этот же шлиф является анодом. Катодом при травлении служит нержавеющая сталь. Напряжение при электролитическом травлении составляет от 2 до 6 В. Решающее значение для успешного распо-

10