По дисциплине «Материаловедение»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ДЛЯ СТУДЕНТОВ ПО ПРОВЕДЕНИЮ

Практических ЗАНЯТИЙ

ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНОСТИ

Технология машиностроения»

по дисциплине «Материаловедение»

                                                         2015

                                                     ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 2

                                              МАКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ СПЛАВОВ

 Цель работы: ознакомиться с методами макроструктурного анализа и изучить характерные виды макроструктур.

Порядок выполнения работы:

1. Ознакомиться и законспектировать теоретические сведения.

2. Ознакомиться с раздаточным материалом (фото макроструктур, образцы с изломами, макротемплет, Атлас структур- стр. 31).

3. Зарисовать и подписать рисунки макроструктур :

- макроструктура поверхности пера сопловой лопатки (изготовлена методом литья из жаропрочного сплава);

- макрошлиф сварного соединения (соединение выполнено методом электронно-лучевой сварки);

- усталостный излом на пере рабочей лопатки (указать очаг - место зарождения трещины, зону распространения усталостной трещины и зону «долома»;

- текстура деформации на образце из деформированного сплава.

4. Выводы.

5. Составить по 3-5 контрольных вопроса к данной работе (записать их в отчете после выводов).

                                   Краткие сведения о макроанализе.

Металлографический анализ включает изучение макроструктуры - макроанализ и микроструктуры – микроанализ.

Металлографический анализ нашел широкое применение в промышленности при разработке и технологии литья, ковки, штамповки, сварки, при разработке новых сплавов и методов обработки, для контроля качества технологических операций, а также для установления причин аварий конструкций.

МАКРОАНАЛИЗ заключается в определении строения металла путем просмотра его поверхности невооруженным глазом или при небольшом увеличении – до 30 раз .

Макростроение изучают непосредственно на поверхности металла (например – отливок, поковок), в изломе, а также после предварительной подготовки исследуемой поверхности, заключающейся в ее шлифовании (абразивным кругом на шлифовальном станке или вручную на грубой шлифовальной шкурке) и травлении специальными реактивами. Шлифованный и протравленный образец называют макрошлифом. Отсюда основные методы макроанализа: макроанализ излома и макроанализ шлифов.

Макроанализ излома металла . По характеру поведения металла при разрушении различают: кристаллический или зернистый излом (блестящий с фасетками) – он наблюдается при хрупком разрушении металлов пониженной вязкости;   матовый или волокнистый излом - наблюдается при вязком разрушении, которому предшествует значительная пластическая деформация и т.д.

Характерное строение имеет усталостный излом . Усталость – это процесс постепенного накопления повреждений в материале под действием повторных знакопеременных (циклических) нагрузок , величина которых не превышает предела текучести. Процесс усталости состоит из трех этапов, и эти этапы хорошо прослеживаются на усталостных изломах (см. рисунок на доске) : 1- образование трещины в наиболее нагруженной части сечения; 2- притертая часть с концентрическими линиями, показывающими распространение усталостной трещины; 3- окончательное разрушение - зона «долома».

Исследование изломов, таким образом, является простым, но весьма важным методом исследования, в частности, при выявлении причин разрушения деталей машин.

Макроанализ шлифов. Макрошлифы могут быть подготовлены непосредственно на поверхности изделий, либо на образцах, специально вырезанных из деталей (темплетах). При исследовании макрошлифа можно определить :

1. Нарушение сплошности металла : усадочную рыхлоту, газовые пузыри и раковины, трещины, пустоты, непровары сварных соединений.

2. Строение сплавов. Макроанализ выявляет величину, форму и расположение зерен и, в частности, дендритное строение литого металла.

3. Химическую неоднородность (так называемую ликвацию) в распределении некоторых элементов (чаще серы, фосфора, углерода ) по сечению (объему) заготовки , вызванную процессом кристаллизации из жидкости.

4. Неоднородность строения сплава, вызванную его последующей обработкой давлением. Зерна, а также неметаллические включения в стали - сульфиды, оксиды при обработке давлением (прокатке, ковке, штамповке и т.д.) дробятся и вытягиваются вдоль направления деформации, образуя текстуру деформации. Образование текстуры способствует появлению анизотропии механических свойств. Например, ударная вязкость образцов, вырезанных вдоль прокатки, выше, чем у образцов, вырезанных поперек прокатки.

5. Неоднородность сплава, созданную термической обработкой и т.д.

Макроструктурный анализ в сочетании с микроструктурным, которому он предшествует, позволяет наиболее полно анализировать строение металла.

                                                          ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 3

                                          МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ СПЛАВОВ

Цель работы: ознакомиться с методом микроструктурного анализа и изучить характерные виды микроструктур.

                                       Краткие сведения о микроанализе.

Микроструктурным анализом называется исследование структуры металлов с помощью микроскопа при увеличении до 2000 раз.

Микроанализ применяют для определения формы и размеров зерен; изменений внутреннего строения сплава, происходящих под влиянием различных процессов (технологических, эксплуатационных); выявления микродефектов – микротрещин, микропор и т.п.; обнаружения неметаллических включений – сульфидов, окислов и др.

Для микроанализа вырезают небольшой образец, одну из плоскостей которого шлифуют, полируют и травят. Подготовленная таким образцом поверхность образца называется микрошлифом.

При травлении, т.е. при обработке поверхности растворами кислот или солей, одни структурные составляющие вытравливаются больше, а другие меньше. При освещении микрошлифа на микроскопе лучи света по-разному отражаются от различно протравившихся составляющих. Места, протравленные сильнее, больше рассеивают отраженные лучи, поэтому видны более темными. Например, границы зерен травятся сильнее. Лучи света, падающие на границы, отражаются в стороны, не попадают в объектив микроскопа и поэтому границы зерен кажутся темными (см. рис. на доске).

Для исследования металлов и сплавов применяют микроскопы отраженного света, называемые металлографическими. Металлографический микроскоп состоит из следующих систем : оптической, осветительной и механической.

Порядок выполнения работы:

1. Ознакомиться и законспектировать    теоретические сведения.

2.Изучить характерные микроструктуры железоуглеродистых сплавов : феррит, аустенит, цементит, перлит зернистый и пластинчатый , ледебурит ( Атлас структур- стр. 14-16,18,19,21).

3. Зарисовать и описать схемы микроструктур феррита, аустенита, цементита, перлита зернистого и пластинчатого, ледебурита (вместо многоточия вставить название) :

А). Микроструктура … как твердого раствора углерода и др. легирующих элементов в γ-железе состоит из светлых зерен с характерными двойниками.

Б). Микроструктура … как твердого раствора углерода и др. легирующих элементов в α-железе состоит из светлых зерен.

В). Ледебурит . Эвтектика – механическая смесь, состоящая из аустенита и цементита, образованная при 1147 градусах из жидкого сплава, при температуре ниже 727 градусов состоит из перлита и цементита. Микроструктура – характерные округлые темные включения перлита, расположенные в светлой цементитной основе. 

Г). Перлит. Эвтектоид– механическая смесь, состоящая из феррита и цементита, образованная при 727 градусах из аустенита (т.е. из твердой фазы).

Перлит пластинчатый –состоит из тонких пластинок цементита, расположенных в ферритной основе.

Перлит зернистый – состоит из мелких зернышекцементита, расположенных в ферритной основе.

Д). Микроструктура … как химического соединения железа с углеродом имеет светлый выпуклый вид , например, выделившийся в виде сетки из аустенита (цементит вторичный).

Рисунки микроструктур в отчете расположить в следующем порядке : феррит, аустенит, цементит, перлит зернистый и пластинчатый, ледебурит - вблизи рисунка расположить описание.

4. Выводы.

5. Контрольные вопросы:

- Для каких целей применяют микроструктурный анализ?

- Что такое микрошлиф? С какой целью проводят травление?

- Дать определение фаз и структурных составляющих, изученных в работе.

                                                          ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 4

                                Измерение твердости металлов и сплавов

Цель работы: Ознакомиться с методами измерения твердости

Порядок выполнения работы:

1. Дать определение твердости

2. Зарисовать схемы измерения: по Бринеллю (В.М. Никифоров, стр. 59); по Виккерсу

( учебник «Материаловедение и технология конструкционных материалов», стр.29).

3. Свести данные по измерению твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу в единую таблицу:

4. Определить диаметр отпечатка на конкретном образце углеродистой стали (отпечаток получен на твердомере Бринелля , при стандартных условиях- диаметр шарика 10мм, нагрузка 3000кгс) и определить твердость НВ (Справочник «Машиностроительные стали»,приложение на стр. 372).

5. Перевести полученную твердость в единицы по Роквеллу и Виккерсу по формулам.

6. Осуществить перевод полученной твердости по Бринеллю в единицы твердости по Роквеллу и Виккерсу по переводной таблице (Справочник «Машиностроительные стали»,приложение на стр. 372).

7. Выводы. В выводах сформулировать преимущества и недостатки методов.

                                                            ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 6

                                     Выбор термообработки для заданной детали.

Цель работы: научиться назначать режим термообработки для конкретной детали.  

Задание : а). Выбрать режим окончательной термообработки для колеса зубчатого из стали 45;

в процессе эксплуатации к детали предъявляются требования высокой прочности и повышенной ударной вязкости.

                 б). Выбрать режим термообработки для улучшения обрабатываемости резанием заготовки из стали с содержанием углерода 0,9% - сталь У9 (У9- обозначение углеродистой инструментальнойстали с содержанием углерода 0,9 % , т.е. число указывает содержание углерода в десятых долях процента).

Порядок выполнения работы:

1). Выбрать вид термообработки заданной детали, исходя из цели проведения термообработки; при окончательной термообработке - исходя из условий эксплуатации детали.

2). Обосновать свой выбор.

3). Нарисовать стальной угол диаграммы железо-углерод (с соблюдением пропорций).

4). Выбрать по диаграмме температуру нагрева термообработки.

   Расчет времени выдержки в данной работе не проводится (выдержка при термообработке необходима для полного нагрева детали по всему сечению и для выравнивания состава аустенитных зерен; время выдержки зависит от формы и размеров изделия и от состава стали ).

  При выборе закалочной среды, руководствоваться следующим:

- вода – обеспечивает наиболее быстрое охлаждение; применяется для углеродистых сталей (у этих сталей большая критическая скорость закалки Vкр.);

- масло – обладает небольшой скоростью охлаждения в области температур мартенситного превращения; применяется для деталей малых сечений из легированных и высоколегированных сталей (они имеют малую критическую скорость закалки).

5). Выбранный режим термообработки представить в виде графика в координатах температура – время; график пояснить надписями: название детали, марка стали, вид термообработки, Тнагрева, охлаждение ( с печью, на воздухе и т.д.).

6). Определить, какая структура должна получиться после проведения назначенной термообработки.

Выводы:

                                                     ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 7

          КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ. МАРКИРОВКА. ТЕРМООБРАБОТКА. НАЗНАЧЕНИЕ.

  Цель работы: научиться подбирать материалы по их назначению и условиям эксплуатации.

Порядок выполнения работы:

1). Переписать вопрос 1,а задания.

2). Дать ответ на вопрос 1,а

3). Переписать задание 1,б.

4).Найти и выписать из справочника (Ф.Д.Гелин «Металлические материалы», Минск «Вышэйшая школа», 1987.) заданные параметры.

5). Вопросы 2-5 - в аналогичном порядке.  

6). Выводы.

Задание:

                                                     1 вариант

1,а). Какой примерный химический состав и назначение стали 10?

б). Определите химический состав и применение стали 10 по справочнику.

2,а) Какой примерный химический состав  и назначение стали 40ХН2МА?

б). Определите режим термообработки, свойства и применение стали 40ХН2МА по справочнику.

3, а). Какой примерный химический состав и назначение стали 80?

б). Определите режим термообработки, свойства и применение стали 80 по справочнику.

4, а). Какой примерный химический состав и назначение стали ШХ15СГ?

б). Определите химический состав и режим термообработки стали ШХ15СГ по справочнику.

5,а).  Какой примерный химический состав и назначение стали ХВГ?

б). Определите назначение стали ХВГ по справочнику.

                                                        2 вариант

1,а). Какой примерный химический состав и назначение стали 15?

б). Определите химический состав и применение стали 15  по справочнику.

2,а) Какой примерный химический состав и назначение стали 40Х?

б). Определите режим термообработки, свойства и применение стали 40Х по справочнику.

3, а). Какой примерный химический состав и назначение стали 50ХФА?

б). Определите режим термообработки, свойства и применение стали 50ХФА по справочнику.

4, а). Какой примерный химический состав и назначение стали ШХ15?

б). Определите химический состав и режим термообработки стали ШХ15 по справочнику.

5,а).  Какой примерный химический состав и назначение стали У7А?

б). Определите назначение стали У7А по справочнику.

                                                        3 вариант

1,а). Какой примерный химический состав и назначение стали 40?

б). Определите химический состав и применение стали 40 по справочнику.

2,а) Какой примерный химический состав и назначение стали 15Х?

б). Определите режим термообработки, свойства и применение стали 15Х по справочнику.

3, а). Какой примерный химический состав и назначение стали 60С2ХА?

б). Определите режим термообработки, свойства и применение стали 60С2ХА по справочнику.

4, а). Какой примерный химический состав и назначение стали ШХ15СГ?

б). Определите химический состав и режим термообработки стали ШХ15СГ по справочнику.

5,а).  Какой примерный химический состав и назначение стали 9ХФ?

б). Определите назначение стали 9ХФ по справочнику.

                                                       4 вариант

1,а). Какой примерный химический состав и назначение стали 45?

б). Определите химический состав и применение стали 45 по справочнику.

2,а) Какой примерный химический состав и назначение стали 12ХН3А?

б). Определите режим термообработки, свойства и применение стали 12ХН3А по справочнику.

3, а). Какой примерный химический состав и назначение стали 70?

б). Определите режим термообработки, свойства и применение стали 70 по справочнику.

4, а). Какой примерный химический состав и назначение стали ШХ15?

б). Определите химический состав и режим термообработки стали ШХ15 по справочнику.

5,а).  Какой примерный химический состав и назначение стали Р6М5Ф3?

б). Определите назначение стали Р6М5Ф3 по справочнику.

                                                   ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 8

                                  Микроанализ инструментальных сталей.

  Цель работы: изучить микроструктуры инструментальных сталей.     

Задание:

1. Ознакомиться с краткими теоретическими сведениями;

2. Изучить микроструктуры инструментальных сталей после различных видов термообработки.

3. Заполнить протокол .

                                                    Краткие теоретические сведения

Микроструктура заэвтектоидных инструментальных сталей. Заэвтектоидные углеродистые стали от У9 до У13 и легированные, например Х, ХВГ, 9ХС и др., в отожженном состоянии имеют структуру зернистого перлита, а после закалки в воде (углеродистых сталей) и в масле (легированных сталей) и отпуска – отпущенный мартенсит + карбиды.

Микроструктура быстрорежущей стали. Наиболее характерными и распространенными легированными инструментальными сталями являются быстрорежущие стали, например, Р18, Р6М5 и др. Быстрорежущие стали относятся к ледебуритному классу, они обладают высокой твердостью (НRС 62-67), износостойкостью и теплостойкостью (способность сохранять высокую твердость до 650 ^о С).

Теплостойкость быстрорежущей стали обусловлена ролью легирующих элементов: вольфрама, молибдена, ванадия и хрома, переведенных в твердый раствор при закалке . Эти элементы повышают устойчивость мартенсита против отпуска и обеспечивают сохранение структуры мартенсита отпуска до 600-650 ^о С.

В литом состоянии структура быстрорежущей стали состоит из ледебуритной (карбидной) эвтектики, имеющей «скелетообразный » вид , и продуктов распада аустенита (сорбитообразный перлит). Наличие в литой быстрорежущей стали ледебуритной эвтектики придает стали хрупкость. Для разрушения ледебуритной эвтектики литую быстрорежущую сталь подвергают обработке давлением (прокатке, ковке) и отжигу. Ковка изменяет строение быстрорежущей стали, так как эвтектика разбивается на отдельные обособленные карбиды. Микроструктура кованой и отожженной быстрорежущей стали состоит из крупных первичных карбидов, более мелких вторичных карбидов и сорбитообразного перлита, занимающего основное поле шлифа. На фото - белое поле.

Микроструктура закаленной быстрорежущей стали состоит из мартенсита, карбидов и Аост. ( остаточного аустенита). Однако травлением выявляются главным образом границы бывших зерен аустенита и очень плохо обнаруживается основная структурная составляющая – мартенсит. 

Микроструктура закаленной быстрорежущей стали после трехкратного отпуска 560 ^о С состоит из мартенсита и карбидов.

Содержание отчета:

1. Название и цель практического занятия;

2. Краткие теоретические сведения;

3. Схемы микроструктур * :

  - легированная инструментальная сталь – 1) после отжига; 2) после закалки и низкого отпуска;

  - быстрорежущая сталь - 1) после литья; 2) прокатанная и отожженная; 3)после закалки; 4) после закалки и трехкратного отпуска.

   * Схемы микроструктур разместить в таблице, где также указать : марку стали, вид термообработки, наименование структур, интервалы теплостойкости:

                                            Протокол микроанализа инструментальных сталей

4. Вывод.

Контрольные вопросы.

1. Основные свойства инструментальных сталей.

2. Сущность явления теплостойкости (красностойкости).

3. Окончательная термообработка и структура углеродистых и легированных инструментальных сталей.

4. Окончательная термообработка и структура быстрорежущих сталей.

5. Почему у быстрорежущих теплостойкость намного выше, чем у углеродистых и легированных инструментальных сталей.