- •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
Контрольные вопросы
Дайте определение основных механических свойств – прочности, пластичности.
Отчего зависит выбор способа испытания материалов (растяжение, изгиб, сжатие)?
Какие образцы используют при испытании на растяжение?
Каковы характерные области диаграммы растяжения?
Какие механические характеристики материала можно рассчитать по диаграмме растяжения «σ – ε»?
В чем заключается разница между условной и истинной диаграммой растяжения?
Чем отличаются диаграммы растяжения при наличии физического и условного пределов текучести?
Какими характеристиками оценивается прочность материала? Как они определяются?
В чем заключается разница между физическим и условным пределом текучести?
В чем заключается разница между пределом прочности и истинным сопротивлением разрыву?
Какими характеристиками оценивается пластичность материала? Как они определяются?
Каков смысл наклонной прямой, используемой при определении σ0,02, σ0,2, δ?
Что такое модуль Юнга? На чем основан статический метод определения модуля Юнга?
Какая механическая характеристика определяет начало развитой пластической деформации?
Что представляет собой коэффициент «жёсткости» механических испытаний?
Указать прочностные характеристики материалов.
Перечислить пластические характеристики материалов.
Лабораторная работа №4
Определение ударной вязкости материала Цель работы
Приобрести навыки определения ударной вязкости материала при испытании образцов на ударный изгиб.
Определить нижнюю и верхнюю критические температуры хрупкости углеродистой стали.
Приборы, материалы и инструмент
Маятниковый копер.
Образцы для ударных испытаний из углеродистой и легированной стали.
Штангенциркуль.
Печь для нагрева образцов и камера для их охлаждения.
Краткие теоретические сведения
Среди многочисленных методов ударных испытаний наиболее широкое практическое применение нашел метод испытания на ударный изгиб с измерением величины ударной вязкости. Эта характеристика играет огромную роль при оценке служебных свойств конструкционных, а также инструментальных сталей.
В процессе эксплуатации деталей могут возникнуть внешние факторы, под воздействием которых материал становится хрупким:
- увеличение скорости деформирования (возникновение ударных нагрузок);
- понижение температуры;
- возникновение двухосного и трехосного напряженных состояний;
- образование концентраторов напряжений – надрезов, трещин и т. д.
Склонность стали к хрупкому разрушению возрастает также под воздействием внутренних факторов:
- повышенное содержание фосфора, концентрирующегося по границам зерен;
- крупнозернистая структура;
- наличие карбидов по границам зерен;
- полосчатость и т. д.
Определение ударной вязкости при динамических испытаниях на ударный изгиб является основным практическим методом оценки склонности стали к хрупкому разрушению.
Испытание на ударный изгиб основано на разрушении образца с концентратором напряжений ударом маятникового копра. Концы образца располагают на опорах (рис. 1). В результате испытания определяют полную работу, затраченную при ударе, и рассчитывают ударную вязкость. Роль концентратора сводится к следующему. При испытаниях стальных образцов на ударный изгиб напряжения и деформации локализуются в ограниченном объеме металла вокруг надреза. Именно здесь поглощается практически вся работа удара. Чем глубже и острее надрез и больше ширина сечения образца, тем больше величина продольных и поперечных нормальных напряжений в районе вершины надреза и тем меньше работа удара. ГОСТ 9454-78 предполагает три вида (формы) концентраторов: U-образный с радиусом в вершине R=1 мм, V-образный с R = 0,25 мм и Т-образный с усталостной трещиной. В соответствии с этим, при записи ударной вязкости (КС) в ее обозначение вводится третья буква, указывающая вид надреза – KCU, KCV, KCT.
Рисунок 1 – Форма и размеры образца для испытаний на ударную вязкость |
Рисунок 2 – Схема испытания на маятниковом копре |
Величина KCU характеризует ударную вязкость материала при отсутствии ярко выраженного концентратора напряжения. Величина KCV характеризует ударную вязкость материала при наличии концентратора напряжения. Данный параметр используют, например, при оценке пригодности материалов для сосудов давления, трубопроводов и других конструкций повышенной надежности. Известно, что работа разрушения состоит из работы зарождения трещины и работы распространения трещины. Величина KCT характеризует работу распространения трещины при ударном изгибе и оценивает способность материала сопротивляться начавшемуся разрушению. Он учитывается при выборе металлов и сплавов для конструкций особо ответственного назначения (летательные аппараты, роторы турбин и т. п.).
Испытания образцов на ударный изгиб проводятся на маятниковых копрах типа МК (например, МК-30) (рис. 2).
Копер состоит из тяжелого маятника, свободно качающегося вокруг оси, и специального шаблона, обеспечивающего установку надреза строго в середине пролета ножа маятника между опорами. При этом удар маятника производится со стороны, противоположной надрезу. Разрушение образца осуществляется маятником, свободно качающимся вокруг горизонтальной оси, укрепленной в шарикоподшипниках на стойках копра. Образец устанавливают на нижних опорах копра симметрично относительно опор и так, чтобы надрез был обращен в сторону, противоположную направлению удара (рис. 2).
При динамических испытаниях не соблюдается принцип подобия, поэтому они жестко унифицированы как по параметрам образцов, так и по условиям проведения экспериментов.
Разрушение образца осуществляется за счет потенциальной энергии падающего маятника при отклонении его из положения равновесия на угол α или высоту Н (рис. 2). Общий запас энергии расходуется на изгиб и разрушение образца, а также последующий взлет маятника на высоту h, соответствующую углу отклонения β. Величина работы, затраченная на разрушение образца К, определяется из разности энергии маятника в положении до и после удара:
K = P(H h), (1)
где Р – вес маятника (Н),
Н – первоначальная высота подъема маятника (м),
h – высота взлета маятника после удара (м).
Если длина маятника L, то
h = L(1 cos), (2)
H = L(1 cos), (3).
Отсюда
K = PL(cos cos), (4)
где P и L для данного копра величины постоянные.
Углы α и β определяются по шкале прибора, однако на практике для каждого угла β величина работы определяется по специальным таблицам или шкала копра может быть проградуирована в единицах работы, если угол подъема маятника α фиксирован. Обычно он равен 150.
Зная полную работу разрушения образца К, можно рассчитать основную характеристику динамических испытаний – ударную вязкость KCU, KCV или KCT. Ударная вязкость – это работа, израсходованная на разрушение образца, отнесенная к площади его поперечного сечения в месте надреза:
KCU = K/F (МДж/м2) (5),
где F – площадь сечения в месте надреза, м2.
Испытания на ударную вязкость проводятся для оценки надежности и работоспособности материалов в условиях динамического нагружения и их склонности к хрупкому разрушению, которые, в свою очередь, зависят от скорости изменения нагрузки и «мягкости» напряженного состояния. Поскольку ударная вязкость является интегральной характеристикой материала, зависящей одновременно от прочности и пластичности, то она более резко реагирует на изменения структурного состояния материалов, чем другие свойства, что особенно ярко проявляется при пониженных температурах.
Таким образом, испытания на ударный изгиб являются одним из наиболее чувствительных методов контроля, чутко реагирующих на небольшие изменения состояния металла. Ударные испытания являются ценным, а иногда необходимым дополнением к статическим испытаниям гладких образцов.
Определение критических температур хрупкости. Хладноломкость металлов. Явление хладноломкости заключается в переходе металлов при понижении температуры из пластического состояния в хрупкое. Охрупчивание материалов связано с достижением критической температуры хрупкости (порога хладноломкости). К хладноломким относятся материалы с ОЦК и ГПУ решетками. Материалы с ГЦК решеткой не проявляют ярко выраженных признаков хладноломкости.
На практике подавляющее большинство материалов с ОЦК решеткой теряют пластические свойства в интервале температур, называемом интервалом вязко-хрупкого перехода. Это проявляется в увеличении доли хрупкой составляющей на поверхности вязко-хрупких изломов при понижении температуры испытания. Поэтому вводят понятие верхней (Тхрв) и нижней (Тхрн) критических температур хрупкости. При этом, Тхрв характеризует начало охрупчивания материала при понижении температуры, а Тхрн – переход материала в хрупкое состояние.
Среди известных методов оценки критических температур хрупкости материалов можно выделить две основные группы.
К первой группе относятся методы, основанные на изучении температурной зависимости механических характеристик исследуемых материалов при динамическом нагружении. Основоположниками данного метода можно считать Людвига и Иоффе. Давиденков предложил для определения критических температур хрупкости использовать температурную зависимость ударной вязкости стандартных образцов. Данная кривая в интервале вязко-хрупкого перехода имеет S-образный характер и позволяет определять, как нижнюю (Тхрн), так и верхнюю (Тхрв) критические температуры хрупкости (рис. 3а). В настоящее время это самый распространенный метод, применяемый для текущего контроля качества плавки стали.
Ко второй группе относятся фрактографические методы определения критической температуры хрупкости, основанные на макро- и микрофрактографическом анализе изломов. Фрактографические методы определения критических температур хрупкости металлических материалов основаны на определении доли вязкой составляющей (В) в изломе (рис. 3б) или длины стабильной вязкой зоны lc (рис. 4) в очаге разрушения (рис. 3в). При макрофрактографическом анализе под вязкой составляющей в изломе понимают участки поверхности разрушения, характеризующиеся при визуальном наблюдении волокнистым строением, а при микрофрактографическом исследовании – ямочным микрорельефом. Поэтому данные методы определения критических температур хрупкости применимы как для сосредоточенных, так и для рассредоточенных изломов.
а) |
б) |
в) |
Рисунок 4 – Схема строения излома, полученного при ударном нагружении: θ – зона вытягивания, lc – вязкая зона стабильного роста трещины, λ – губы среза |
Рисунок 3 – Температурные зависимости ударной вязкости (KCU) (а), вязкой составляющей в изломе (В) (б) и длины вязкой зоны (lс) (в) |
Основным преимуществом фрактографических методов является то, что они позволяют оценивать критическую температуру хрупкости материала не только в образцах, но и в конструкциях при реальных условиях эксплуатации. Поэтому данные методы получили широкое распространение в практике диагностики разрушения.