Міністерство освіти і науки України

Полтавський національний технічний університет

імені Юрія Кондратюка

Практикум

із дисципліни «Технологія конструкційних матеріалів та матеріалознавство»

для студентів механічних спеціальностей

7.09.02.02 «Технологія машинобудування»,

7.09.02.14 «Пiдйомно-тpанспоpтнi, будівельні та шляхові машини й обладнання»,

7.09.02.15 «Автомобілі та автомобільне господарство»,

7.09.02.17 «Машини й обладнання нафтових і газових промислів»

денної та заочної форм навчання

ЧАСТИНА ІІІ

Полтава 2008

Практикум із дисципліни «Технологія конструкційних матеріалів та матеріалознавство» для студентів спеціальностей 7.09.02.02 «Технологія машинобудування», 7.09.02.14«Пiдйомно-тpанспоpтнi, будівельні та шляхові машини й обладнання», 7.09.02.15 «Автомобілі та автомобільне господарство», 7.09.02.17 «Машини й обладнання нафтових і газових промислів» денної та заочної форми навчання. – Полтава: ПолтНТУ, 2008.– 63 с.

Укладачі: А.В. Калашников, кандидат технічних наук, доцент;

В.Г. Клименко, асистент;

О.В. Бондар, асистент.

Відповідальний за випуск: завідувач кафедри технології машинобудування А.В. Васильєв, кандидат технічних наук, доцент.

Рецензент: М.В. Галай, доктор технічних наук, професор.

Затверджено радою університету

Протокол №___від__________

Редактор Я.В.Новічкова

Зміст

Загальні правила з техніки безпеки 4

Лабораторна робота №1. Макроаналіз металів і сплавів 4

Лабораторна робота №2. Мікроаналіз металів та сплавів 8

Лабораторна робота №3. Структура сталі у зрівноваженому стані 13

Лабораторна робота №4. Вивчення структури чавунів 18

Лабораторна робота №5. Визначення критичних точок сталі 23

Лабораторна робота №6. Термічна обробка вуглецевих сталей 26

Лабораторна робота №7. Вивчення структури сталі після різних видів термообробки 31

Лабораторна робота №8. Прогартування сталі 36

Лабораторна робота №9. Відпускання сталі 40

Лабораторна робота №10. Загартування сталі 44

Лабораторна робота №11. Цементація сталі 47

Лабораторна робота №12. Термічна обробка алюмінієвих сплавів 50

Лабораторна робота №13. Вивчення структури кольорових металів і сплавів 54

Лабораторна робота №14. Визначення корозійної стійкості алюмінієвих і магнієвих сплавів 59

Література 63

Перед виконанням лабораторної роботи студентам слід старанно вивчити матеріал, що стосується даної теми, самостійно відповісти на запитання для самоперевірка. Після обговорення цих запитань у лабораторії та виконання досліджень необхідно оформити звіт, що складається із завдання до роботи, умови її виконання, одержаних результатів та висновків щодо них. Для наочного оформлення результатів досліджень їх зводять до табличного або графічного вигляду. Звіт після перевірки підписує викладач.

Загальні правила з техніки безпеки

1. Ознайомлюйтеся з інструкцією з техніки безпеки перед кожною лабораторною роботою.

2. Не вмикайте механізми без дозволу викладача.

3. Не торкайтесь рухомих частин руками, одягом та іншими предметами.

4. Забороняється залишати ввімкнені печі, верстати та прилади без нагляду.

5. Після досліджень вимкніть механізми з мережі електричного струму.

6. Обережно працюйте з хімреактивами.

Лабораторна робота №1

Макроаналіз металів і сплавів

Мета роботи: вивчити методику виявлення макроструктур та вад у металевих виробах; набути навичок у процесі проведення макроаналізу зломів і макрошліфів вилитих, деформованих, термічно оброблених виробів із різних металів та сплавів.

Устаткування, інструменти, матеріали

Бінокулярний мікроскоп, лупа (збільшення до 30 разів), реактиви для виявлення макроструктури сталі, спирт, шліфувальний і фільтрувальний папір, зразки зломів виробів, зразки макрошліфів чорних та кольорових металів, плакати із зображенням характерних макроструктур.

Основні відомості про макробудову

Металографія — це вчення про макро- і мікроструктуру. Основним завданням металографічного аналізу є дослідження структури та вад металу.

Метод дослідження структури металів і сплавів на порівняно великих зразках неозброєним оком або за незначного (до 30-ти разів) збільшення називається макроскопічним. Зразки, на яких проводять макроаналіз, називаються макрошліфами, а будова металів, що вивчається за допомогою мікроаналізу, називається макроструктурою. Макроаналіз виконують на поверхні виробу, на зломах металу та на макрошліфах. Дослідження злому найпростіше і найдоступніше, але воно дає лише поверхові відомості про структуру металу. В зломі виявляють внутрішні дефекти, розмір та характер розміщення зерен, пластичні властивості зразка. Від макроструктури залежать технологічні й експлуатаційні властивості напівфабрикатів та виробів. Метод дослідження макробудови широко використовують для наукового дослідження і заводського контролю сплавів.

Методами макроаналізу визначають:

• вид злому — в'язкий, крихкий, утомний, змішаний;

• причину злому — втомленість, корозія та ін.;

• порушення суцільності металу — усадочні раковини, флокени в сталі, тріщини, вади зварювання, шлакові включення, рихлість, свищі, пустоти, пористість, бульбашки, плівки тощо;

• дендритну будову, розмір дендритів, їх розміщення за перерізом та висотою;

• форму зварних швів, наявність у них вад, довжину та форму зони термічного виливу;

• хімічну неоднорідність (ліквацію) складу металу у виливку та грубі включення;

• волокнисту структуру деформованого металу;

• розміщення волокон у композитному матеріалі;

• структурну неоднорідність після термічної, термомеханічної та хіміко-термічної обробки;

• глибину шару гартування, насичення поверхневого шару виробів вуглецем;

• наявність прессутяжин, ділянок нерівномірної деформації в процесі пресування та ін.

Макроаналіз злому (фрактографія) дозволяє визначити стан чавуну. Білі чавуни мають сріблястий світлий злом, а сірі, ковкі та високоміцні — злом темно-сірого кольору (через присутність графіту). Половинчастий чавун визначається наявністю світлих ділянок на загальному фоні темно-сірого злому. За характером руйнування злом може бути крихким, в'язким або змішаним. Крихкий злом кристалічний, блискучий, а в'язкий має матовий, волокнистий вигляд. Для підтвердження характеру злому виконують його мікроаналіз. При цьому в'язкий злом має ямкову будову, а крихкий — рівчакове чи міжзернове, з гладкими поверхнями. Вивчення злому дозволяє встановити причину руйнування деталі. Специфічний злом утворюється при втомному руйнуванні. Цей злом складається із двох зон — втомної та зони крихкого долому. За характером окислення частини злому можна встановити давність його виникнення. За допомогою зломів добре виявляються також вади несуцільності: флокени, бульбашки, неметалічні включення.

Макроаналіз на шліфах виконують для вивчення внутрішньої будови виробів. Для макроаналізу із виробів у потрібному місці й напрямі вирізають зразок (темплет), обробляють його на фрезерному або токарному верстаті на площину. Далі зразок шліфують спочатку грубим, а потім дрібнішим наждачним папером. Тоді зразок обробляють спиртом або ацетоном і піддають травленню.

Для виявлення волокнистої будови сталі використовують розчин: Н₂SO₄  60 см³, K₂Cr₂O₇  25 г, води  500 см³. Глибоке травлення сталі для виявлення пористості виконують у розчині: HCl  500 см³, HrSО₄  70 см³, води  200 см³. Проба на сірку в сталі, за Бауманом: бромосрібний папір, змочений 5- процентним водним розчином H₂SO₄, накладається на поверхню макрошліфа на 3 хв., потім папір промивають у воді та фіксують у гіпосульфіті. Поява темних плям на папері вказує місця скупчення сульфідів.

Для травлення алюмінієвих сплавів використовують 1015%-процентний водний розчин NaOH з наступним промиванням у воді та освітленням в 30%-процентному водному розчині НNО₃.

Мідні сплави обробляють у розчині: FеСl₃  10 г, НСl  30 мл, води  120 мл.

Травлення макрошліфів проводять у витяжній шафі, зразки беруть спеціальними кліщами або в гумових рукавицях. Невеликі за розміром зразки можна змочувати ватним тампоном. Макроструктуру зломів та шліфів фотографують у натуральну величину або при зміні розмірів.

Представлені для розгляду групи зразків:

І. Макрошліфи литих деталей

1. Деталь з алюмінієвої бронзи із запресованою в ній втулкою з олов’янистої антифрикційної бронзи. На мікрошліфі видно: втулку, раковини та газові бульбашки.

2. Чавунні деталі. На мікрошліфі видно внутрішні ливарні раковини і пористість. Газові бульбашки відрізняються від пористості правильною формою та гладкими стінками.

ІІ. Макрошліфи деформованих виробів

1. Гвинт з висадженою головкою. На мікрошліфі видно напрямок волокна, обумовлений текстурою деформації. Волокно повторює обриси головки гвинта, тобто орієнтоване позитивно.

2. Гвинт, виточений із прутка. Напрямок волокна у головці і стрижні – паралельний осі гвинта. Несуча спроможність сильно знижена.

ІІІ. Злам чавунних зразків

1. Сірий чавун. Більша частина вуглецю в сірому чавуні знаходиться у вигляді включень у графіт (пластинчатий графіт), тому такий чавун у розломі має темно-сірий колір. Дефектів у зломі нема.

2. Розлом половинчастого чавуну, що складається із сірого чавуну з ділянками відбілу. У білому чавуні весь вуглець знаходиться у вигляді цементиту, тому ділянки відбілу в розломі мають світло-сірий колір. Ці ділянки дуже тверді. Механічна обробка половинчастого чавуну ускладнена.

ІV. Злом стальних зразків

Стальні зразки 10×10 мм після випробування на ударну в’язкість (KCU).

1. Крихкий металічний злом, світлий, майже блискучий, видно величину зерна.

2. Вязко-крихкий розлом. Світла частина  всередині зразка (крихкий розлом), темна частина  по контуру (в’язкий розлом волокнистого характеру).

3. Шиферний злом. Характеризує сильно виражену текстуру деформації та анізотропію властивостей. Причина  прокатка виливків із сильною внутрішньокристалічною ліквацією. Якість металу низька.