Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехническое и конструкционное материаловедение. Учебное пособие по курсу «Электротехническое и конструкционное материаловедение» для студентов
.pdf
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Белгородский государственный технологический университет
им. В.Г. Шухова
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ
И КОНСТРУКЦИОННОЕ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Учебное пособие по курсу «Электротехническое и
конструкционное материаловедение» для студентов дневной
формы обучения направления подготовки 140400.62 –
Электроэнергетика и электротехника
Белгород
2011
Составители: канд. техн. наук, доц. Е. В. Шопина
канд. техн. наук, доц. А.А. Стативко
Рецензент канд. техн. наук, доц. А. А. Семернин
Электротехническое и конструкционное материаловедение:
Учебное пособие по курсу «Электротехническое и
конструкционное материаловедение» для студентов дневной
формы обучения направления подготовки 140400.62 –
Электроэнергетика и электротехника / сост. Е. В. Шопина,
А.А. Стативко. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. – 125 с.
Учебное пособие составлено в соответствии с учебным планом, содержат
программу дисциплины, рассмотрены свойства металлов, современные методы
испытаний, процессы пластической деформации и рекристаллизации. Описана
диаграмма состояния Fe-Fe3C. большое внимание уделено теории и технологии
термической обработки. Рассмотрены вопросы термообработки типовых деталей в
промышленности и основные классы сталей, цветные металлы и сплавы на их
основе.
© Белгородский государственный
технологический университет
(БГТУ) им. В.Г. Шухова, 2011
Федеральное агентство по образованию
Белгородский государственный технологический университет
им. В.Г. Шухова
Кафедра материаловедения и технологии металлов
Утверждено
научно-методическим
советом
университета
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ
И КОНСТРУКЦИОННОЕ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Учебное пособие по курсу «Электротехническое и
конструкционное материаловедение» для студентов дневной
формы обучения направления подготовки 140400.62 –
Электроэнергетика и электротехника
Белгород
2011
Учебное издание
Электротехническое и конструкционное материаловедение
Учебное пособие по курсу «Электротехническое и
конструкционное материаловедение» для студентов дневной
формы обучения направления подготовки 140400.62 –
Электроэнергетика и электротехника
Составители: Шопина Елена Владимировна
Стативко Андрей Александрович
Редактор
Подписано в печать Формат 60×84/16. Усл. печ. л. Уч.-изд. л.
Тираж экз. 140 Заказ Цена
Отпечатано в Белгородском государственном технологическом
университете им. В.Г. Шухова
308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46
3
Содержание
Лабораторная работа №1…………………………………………………...4
«Макроскопический метод исследования металлов и сплавов»
Лабораторная работа №2………………………………………………….17
«Измерение твердости металлов»
Лабораторная работа №3………………………………………………….29
«Механические испытания металлов»
Лабораторная работа №4………………………………………………….40
«Влияние холодной пластической деформации на структуру и свойства
стали»
Лабораторная работа №5………………………………………………….48
«Диаграммы состояния железо - углеродистых сплавов»
Лабораторная работа №6………………………………………………….63
«Изучение структуры и свойств углеродистых сталей в равновесном
состоянии»
Лабораторная работа №7………………………………………………….71
«Изучение структуры и свойств чугунов»
Лабораторная работа №8………………………………………………….82
«Термическая обработка углеродистых сталей»
Лабораторная работа №9………………………………………….............95
«Инструментальные стали»
Лабораторная работа №10……………………………………………….106
«Медные и антифрикционные сплавы»
Библиографический список……………………………………………...121
4
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
Макроскопический метод исследования металлов и сплавов
Цель работы: ознакомление с методикой проведения
макроструктурного анализа; получение практических навыков
изготовления макрошлифов, изучения поверхностей деталей, изломов,
макрошлифов, выявления макродефектов, неоднородности, причин
разрушения металла; приобретение навыков зарисовки макроструктур.
Приборы и оборудование: коллекция макрошлифов, изломов и сварных
швов.
Исследование строения металлов и сплавов невооружённым глазом, а
также при помощи лупы или бинокулярного микроскопа при увеличении
до 30 раз носит название макроскопического метода исследования, или
кратко макроанализ.
Строение металлов, изучаемое при помощи макроанализа, называется
макроструктурой.
Макроанализ может проводиться как по виду излома металла, так и на
специально подготовленной поверхности металлического образца.
Подготовка образца заключается в шлифовании выбранной поверхности
с последующим травлением специальными реактивами.
Шлифованный и протравленный для макроанализа образец называется
макрошлифом.
Для предотвращения структурных изменений, связанных с нагревом
металла, макрошлифы вырезают на токарных станка или металлическими
ножовками с обильным охлаждением.
Предназначенная для изучения макроструктуры поверхность шлифа
должна быть плоской и гладкой, что обеспечивается обычно шлифованием
на плоскошлифовальном станке. Для удаления с поверхности пыли, грязи,
жира, поверхность шлифа протирают чистой ватой, смоченной 5%-ным
спиртовым или содовым раствором.
Для выявления макроструктуры шлифа необходимо подвергнуть его
травлению, в результате которого более четко обнаруживаются скрытые
трещины, волосовины, пористость и другие дефекты.
После травления шлиф промывают водой под краном, а затем 5%-ным
раствором соды для нейтрализации остатков кислоты. Далее поверхность
металла протирают ватой, промывают ещё раз водой и просушивают.
Наиболее распространенные реактивы, области их применения и условия
травления указаны в таблице 1.
5
Реактивы для травления
Таблица 1
Реактив Концентрация раствора Условия травления Область
Раствор
соляной
кислоты
Раствор
едкой
щелочи
составляющая количество,
%
конц. 50 Температура
раствора 70ºС
50 Продолжительность
травления 10-15
мин
едкий натр. 20 Травление при
комнатной
температуре 10-15
мин
80
применения
реактива
Для
углеродистых и
легированных
сталей
Для
алюминиевых
сплавов
Макроанализ находит широкое применение в промышленности, так как
даёт возможность выявлять дефекты строения металла (трещины,
раковины, шлаковые включения и др.), химическую и структурную
неоднородность.
Макроанализ по виду излома.
Внутренние дефекты, которые могут привести к разрушению изделия,
выявляются при изучении изломов.
Изломом называется поверхность, образующаяся вследствие
разрушения металла.
Непосредственно по виду излома можно установить характер
разрушения металлического изделия, которое может быть хрупким, вязким
или усталостным.
Хрупкий излом имеет кристаллическое строение. Обычно в хрупком
изломе можно видеть форму и размер зерен металла, так как излом
происходит без значительной пластической деформации и зерна при
разрушении металла не искажаются.
При этом излом может проходить как по границам зерен
(межкристаллический), так и по зернам металла (транскристаллический).
Вязкий излом имеет волокнистое строение. Форма и размер зерен
металла при вязком изломе сильно искажены, так как разрушение в этом
случае сопровождается значительной пластической деформацией.
Признаками вязкого разрушения являются:
- наличие значительной пластической деформации перед разрушением;
- разрушение путем среза, т. е. плоскость разрушения находится под
некоторым углом к приложенным внешним нагрузкам;
- разрушение по телу зерна;
6
- поверхность излома имеет матовый оттенок и волокнистое строение.
К признакам хрупкого разрушения относятся:
- отсутствие предварительной пластической деформации перед
разрушением;
- разрушение путем отрыва, когда плоскость разрушения
перпендикулярна приложенным внешним нагрузкам;
- разрушение по границам зерен;
- поверхность зерен имеет блестящий, кристаллический оттенок.
Таким образом, вязкое состояние металла менее опасно, т. к.
разрушение в этом случае можно предсказать и предотвратить. Хрупкое
разрушение более опасно, т. к. оно происходит с большой скоростью при
напряжениях ниже расчетных, а также возможных аварийных последствий.
Основными факторами, влияющими на переход металла из вязкого в
хрупкое состояние, являются следующие:
а) объёмно - напряженное состояние в металле;
б) концентрация напряжений;
в) низкие температуры;
г) скорость нагружения;
д) масштабный фактор.
Одноосное напряженное состояние возникает при растяжении гладких
образцов до образования шейки. Это напряжение менее опасно с точки
зрения хрупкого разрушения. Двухосное растяжение возникает при
нагружении ёмкостей внутренним давлением. В этом случае появляются
как σ1, так и взаимно перпендикулярное σ2, условия работы материала
уничтожаются. Но наиболее опасным является трехосное растяжение,
возникающее в местах концентрации напряжений, когда появляются и σ1 и
σ
и σ3 (рис. 1 ).
2
Рис. 1 Различные напряжённые состояния:
а – одноосное; б - двухосное; в - трехосное
Концентрация напряжений – это возрастание напряжений вблизи
7
отверстий, галтелей, шпоночных канавок, трещин и других внутренних и
внешних дефектов материала. При наличии концентраторов напряжения в
металле перераспределяются таким образом, что их максимальная
величина находится на вершине концентратора (рис. 2).
Рис.2 Схема распределения напряжений в образцах с концентраторами
Концентрация напряжения К тем больше, чем острее дефект и больше
его длина, что выражается следующей формулой (1):
2/, (1)
где l - полудлина дефекта, r – радиус закругления в вершине дефекта.
Это означает, что если такая предельно острая трещина (r=1000A)
доросла до 1мм, то в её вершине напряжение в 6000 раз больше среднего
напряжения по всему сечению. Вот почему при ремонте размороженного
двигателя или лобового стекла мотоцикла просверливают отверстие в
вершине трещины, увеличивая тем самым радиус r и снижая пиковые
напряжения. По этой же причине высокопрочные чугуны с округлой
формой графита более качественны, менее хрупки по сравнению с серыми
чугунами с чешуйчатой формой графита.
Отсюда вывод, если в изделии нельзя избавиться от концентраторов
напряжений (отверстий, заклёпок, галтелей и др.), то нужно увеличить
радиус r в вершине концентратора.
Основная опасность выбора и оценка материала для работы при низких
температурах заключается в следующем. Если в основу конструкционного
расчета заложены свойства материалов при комнатной температуре или на
основании результатов испытания гладких (ГОСТ) образцов при низких
температурах, то имеется, на первый взгляд, дополнительная гарантия
8
надёжности работы материала при пониженных температурах. И это
справедливо, если иметь ввиду, что почти все прочностные характеристики
с понижением температуры испытания растут (рис.3, кривая 1). Однако при
работе материала в конструкции материала практика показывает обратное
(рис. 3, кривая 2).
Изделие при низких температурах хрупко разрушаются при
напряжениях значительно ниже тех, которые получены при испытаниях
гладких образцов. В этом случае не учитывается уменьшение
характеристик пластичности и вязкости и на основе этого резкого
увеличения чувствительности материала к концентраторам напряжений,
неизбежно присутствующих в изделиях. Гладкие образцы концентраторов
не имеют.
Поэтому для оценки надёжной работоспособности материала в
конструкции при низких температурах необходимо в лабораторных
условиях испытывать не гладкие (ГОСТ) образцы, а образцы с
концентраторами, которые дают хорошую сходимость результатов
испытания с поведением материала в изделиях.
Скорость приложения нагрузки влияет на переход металла из вязкого
состояния в хрупкое однозначно. Чем выше скорость деформирования
металла, тем легче он охрупчивается.
1- гладкие (ГОСТ) образцы; 2- изделия
Рис. 3 Влияние температуры на разрушающее напряжение материала:
Для оценки этого состояния проводятся испытания на ударную
вязкость, под которой понимают способность материала к поглощению
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]