- •Лабораторные работы по курсу «Материаловедение»
- •Анализ кристаллического строения
- •Задание
- •Контрольные вопросы
- •Испытание материалов на твердость Цель работы
- •Приборы, материалы и инструмент
- •Краткие теоретические сведения
- •Задание
- •Контрольные вопросы
- •Испытание образцов на растяжение Цель работы
- •Приборы, материалы и инструмент
- •Краткие теоретические сведения
- •Задание 1
- •Порядок выполнения работы 1
- •Задание 2
- •Порядок выполнения работы 2
- •Контрольные вопросы
- •Определение ударной вязкости материала Цель работы
- •Приборы, материалы и инструмент
- •Краткие теоретические сведения
- •Задание
- •Порядок выполнения работы 1
- •Порядок выполнения работы 2
- •Контрольные вопросы
- •Фрактографический анализ разрушения металлических материалов Цель работы
- •Приборы, материалы и инструмент
- •Краткие теоретические сведения
- •Изломы, полученные при однократных видах нагружения
- •Изломы, полученные при многократных (циклических) видах нагружения.
- •Задание
- •Контрольные вопросы
- •Влияние холодной пластической деформации и температуры рекристаллизации на структуру и свойства металлов
- •3.2. Влияние температуры рекристаллизации на структуру и свойства холоднодеформированных металлов
- •4. Порядок выполнения работы
- •5. Содержание отчета
- •6. Контрольные вопросы
- •Термический анализ сплавов
- •3.2. Построение диаграмм состояния
- •3.3. Анализ диаграмм состояния
- •Сущность термического анализа
- •3.6 Определение температур кристаллизации Рb, Sb и сплавов Рb-Sb
- •4. Порядок выполнения работы
- •5. Содержание отчета
- •6. Контрольные вопросы
- •Макроскопический анализ (макроанализ) структуры металлических материалов Цель работы
- •Приборы, материалы и инструмент
- •Краткие теоретические сведения
- •Задание
- •Задание
- •Контрольные вопросы
- •Исследование структуры углеродистых сталей в равновесном состоянии методом микроанализа Цель работы
- •Приборы, материалы и инструмент
- •Краткие теоретические сведения
- •Зависимость механических свойств стали от содержания углерода
- •Задание
- •Контрольные вопросы
- •Исследование структуры углеродистых чугунов методом микроанализа Цель работы
- •Приборы, материалы и инструменты
- •Краткие теоретические сведения
- •Влияние скорости охлаждения
- •Задание
- •Контрольные вопросы
- •Закалка углеродистых сталей
- •1. Цель работы
- •2. Приборы, материалы, учебные пособия
- •3. Краткие теоретические сведения
- •4. Порядок выполнения работы
- •5. Содержание отчета
- •6. Контрольные вопросы
- •Отпуск углеродистой стали Цель работы
- •Приборы, материалы и инструмент
- •Краткие теоретические сведения
- •Порядок выполнения задания 1
- •Порядок выполнения задания 2
- •Контрольные вопросы
- •Отжиг и инормализация стали
- •1. Цель работы
- •2. Приборы, материалы, учебные пособия
- •3. Превращение при отжиге
- •4. Порядок выполнения работы
- •5. Содержание отчета
- •6. Контрольные вопросы
- •Химико-термическая обработка стали
- •1. Цель работы
- •2. Приборы, материалы, учебные пособия
- •3. Химико-термическая обработка стали
- •4. Содержание отчета
- •5. Контрольные вопросы
- •Влияние легирующих элементов на прокаливаемость стали, определенную методом торцевой закалки
- •1. Цель работы
- •2. Приборы, материалы и инструмент
- •3. Краткие теоретические сведения
- •4. Задание
- •5. Контрольные вопросы
- •Классификация, маркировка и применение конструкционных материалов
- •1. Цель и задачи работы
- •2. Указания к самостоятельной работе
- •3. Классификация материалов
- •4. Способы маркировки металлических материалов
- •5. Углеродистые стали
- •5.1. Конструкционные углеродистые стали обыкновенного качества общего назначения
- •5.2. Качественные конструкционные углеродистые стали для деталей машин
- •5.3. Инструментальные углеродистые стали
- •6. Маркировка легированных сталей
- •7. Особые способы маркировки сталей
- •7.1. Маркировка сталей для отливок
- •7.2. Маркировка автоматных сталей
- •7.3. Стали для подшипников
- •7.4. Маркировка быстрорежущих сталей
- •7.5. Маркировка строительных сталей
- •7.6. Магнитные стали
- •7.7. Стали специальных способов выплавки
- •7.8. Нестандартные легированные стали
- •8. Чугуны
- •9. Порошковые материалы
- •10. Медь и сплавы на основе меди
- •10.1. Латуни
- •10.2. Бронзы
- •11. Алюминий и сплавы на основе алюминия
- •12. Магний и сплавы на основе магния
- •13. Титан и сплавы на основе титана
- •14. Содержание отчета
- •15. Контрольные вопросы
- •Библиографический список
4. Содержание отчета
Каждый из студентов получает фото или шлиф поверхностного слоя детали, подвергнутой химико-термической обработке.
Студент представляет письменный отчет о работе, в который должно быть включено:
Определение используемого вида химико-термической обработки.
Оценка толщины диффузного слоя.
Краткое описание назначения данного вида химико-термической обработки, его достоинств, недостатков и технологии проведения.
По толщине диффузного слоя рассчитать время проведения химико-термической обработки.
Режимы термической обработки после данной химико-термической обработки. Если она проводится, то представить режимы в виде графика.
Зарисовать структуру поверхностного слоя стали после химико-термической обработки.
5. Контрольные вопросы
Какие основные процессы происходят при химико-термической обработке?
Что такое цементация, азотирование и нитроцементация и какую цель преследуют эти виды ХТО?
Какие виды цементации, азотирования и нитроцементации применяют в промышленности, их преимущества и недостатки?
При какой температуре проводят цементацию, азотирование стали?
Какую структуру имеет поверхностный слой после цементации?
По какой формуле определяют коэффициент диффузии углерода в стали?
По какой формуле определяют толщину диффузионного слоя?
Как определяют толщину цементованного слоя?
Какую термическую обработку проводят после цементации и с какой целью?
Лабораторная работа №8 (№17)
Влияние легирующих элементов на прокаливаемость стали, определенную методом торцевой закалки
1. Цель работы
Получить навыки в определении прокаливаемости стали методом торцевой закалки.
Исследовать влияние легирующих элементов на прокаливаемость стали.
2. Приборы, материалы и инструмент
Твердомер Роквелла.
Муфельная электропечь, клещи.
Специальная установка для проведения торцевой закалки.
Наждачный станок.
Штангенциркуль.
Специальные образцы из углеродистой и легированной сталей.
3. Краткие теоретические сведения
Под прокаливаемостью понимают способность стали закаливаться на определенную глубину. Прокаливаемостъ является одним из главных факторов, определяющих свойства стали. Сталь, используемая для ответственных деталей и конструкций, должна иметь высокую прокаливаемостъ.
Для получения структуры мартенсита при закалке необходимо, чтобы реальная скорость охлаждения стали была выше некоторой критической скорости Vкр. Под критической скоростью понимают такую минимальную скорость закалки, при которой аустенит превращается в мартенсит, а не распадается на феррито-цементитную смесь. Для различных материалов критические скорости закалки различны. При закалке детали реальная скорость охлаждения уменьшается по мере удаления от поверхности. Наибольшей она получается на поверхности, наименьшей в центре сечения.
Если скорость охлаждения в центре сечения окажется больше критической для данной стали, то деталь закалится по всему сечению, т. е. прокалится насквозь (рис. 1а). Если же скорость охлаждения в центре меньше критической, то сердцевина детали окажется не прокалившейся (рис. 1б).
Рисунок 1 – Схема прокаливаемости цилиндрического образца: а) сквозная прокаливаемость, 6) несквозная прокаливаемостъ. 1 – кривая распределения реальных скоростей охлаждения по диаметру цилиндра; 2 – критическая скорость охлаждения; 3 – слой, закаленный на мартенсит |
Прокаливаемость стали тем выше, чем больше реальная скорость охлаждения и ниже Vкр. Основные факторы, увеличивающие реальную скорость охлаждения: чистота поверхности детали (отсутствие окалины и обезуглероженного слоя), а также среда, обеспечивающая достаточно интенсивное охлаждения и т. д.
Факторы, снижающие Vкр и повышающие прокаливаемость:
1. Все легирующие элементы, растворенные в аустените, за исключением кобальта уменьшают критическую скорость охлаждения и повышают прокаливаемость стали. Наиболее эффективным является использование комплексного легирования. В этом случае положительное влияние отдельных элементов на прокаливаемость увеличивается.
2. С повышением содержания углерода аустенит становится более устойчивым к распаду, т. е. критическая скорость охлаждения уменьшается. Наименьшей критической скоростью и наилучшей прокаливаемостъю обладают стали, близкие по составу к эвтектоидной. Зазвтектоидные стали имеют более высокую критическую скорость охлаждения, так как перед закалкой их структура состоит из аустенита и вторичного цементита, который снижает устойчивость аустенита (облегчает образование феррито-цементитной смеси).
3. Чем однороднее аустенит, тем более он устойчив против распада на феррито-цементитную смесь, т. е. тем ниже Vкр и больше прокаливаемость.
4. С увеличением величины зерна аустенита уменьшается суммарная межзеренная поверхность, на которой начинается эвтектоидный распад, и прокаливаемость увеличивается.
Легирование стали является самым сильным фактором, влияющим на прокаливаемость. Во-первых, повышение степени легированности обеспечивает сквозную прокаливаемость в больших сечениях. Во-вторых, использование легированных сталей вместо углеродистых позволяет проводить их закалку в масле и даже на воздухе, что снижает закалочные напряжения.
В зависимости от прокаливаемости все конструкционные стали можно разделить на три группы:
1. Стали пониженной прокаливаемости. Сквозная прокаливаемостъ достигается закалкой в воде при диаметре цилиндрических образцов 10-15 мм. К этой группе относятся углеродистые и низколегированные стали с содержанием легирующих элементов 3-4 %.
2. Стали средней прокаливаемости. Сквозная прокаливаемость достигается закалкой в масле при диаметре цилиндрических образцов 100-150 мм. К этой группе относятся легированные стали с содержанием легирующих элементов 6-12 %.
3. Стали высокой прокаливаемости. Сквозная прокаливаемость достигается закалкой в масле цилиндрических образцов, диаметром > 200 мм. Это высоколегированные стали с содержанием легирующих элементов 12-30 %.
Диаметр цилиндрического образца, который в данном охладителе прокаливается насквозь, называется критическим диаметром. Критический диаметр служит характеристикой прокаливаемости стали.
Другой простейшей характеристикой прокаливаемости стали в определенном охладителе служит глубина прокаливаемости.
За глубину прокаливаемости конструкционных сталей условно принимают расстояние от поверхности детали до слоя с полумартенситной структурой (50 % троостита и 50 % мартенсита).
Глубину прокаливаемости легко определить, измеряя твердость от поверхности вглубь изделия, и имея справочные данные о твердости сталей разного состава с полумартенситной структурой (HRCпм в табл. 1).
Для определения прокаливаемости сталей применяют стандартный метод торцевой закалки. Метод заключается в том, что специальный цилиндрический образец нагревают до температуры закалки, выдерживают при этой температуре 30-50 мин, а затем в специальной установке закаливают с торца струей воды (рис. 2). Установка должна быть помещена недалеко от печи, чтобы можно было быстро перенести образец из печи в установку. Перед испытанием по холодному образцу регулируют точность попадания струи воды в торец. Образец выдерживают над струей воды до полного охлаждения (не менее 10 мин). После охлаждения образца по его двум диаметрально противоположным образующим сошлифовывают две лыски на глубину 0,5 мм. Измеряют твердость стали на приборе Роквелла по шкале НRС через 1,5-3 мм по длине лысок.
Таблица 1 – Твердость полумартенситной структуры (50% мартенсита и 50% троостита) в углеродистых и легированных сталях
Содержание углерода, % |
Твердость, HRCпм |
Содержание углерода, % |
Твердость, HRCпм | ||||
Углеродистые |
Легированные |
Углеродистые |
Легированные | ||||
0,08-0,17 0,18-0,22 0,23-0,27 0,28-0,32 |
25 30 35 |
25 30 35 40 |
0,33-0,42 0,43-0,52 0,53-0,62 |
40 45 50 |
45 50 55 |
Рисунок 2 – Установка для торцевой закалки образцов: 1 – образец; 2 – штатив; 3 – сопло; 4 – сливная коробка |
Заканчивают измерение твердости, когда на определенном расстоянии от торца определяемая твердость не меняется. Аналогичные замеры твердости производят на второй плоскости. Значения твердости заносят в протокол. Вычислив среднее арифметическое твердости каждой пары точек, находящихся на одинаковом расстоянии от торца, строят кривую прокаливаемости в координатах «Твердость (HRC) – расстояние от торца (L, мм)».
Затем по таблице 1. определяют твердость полумартенситной структуры данной стали. На графике параллельно оси абсцисс проводят прямую, соответствующую твердости полумартенситной структуры, до пересечения с кривой, и опускают перпендикуляр на ось абсцисс. Полученное значение L соответствует глубине прокаливаемости данной стали.
Чем больше это расстояние, тем выше прокаливаемость.