Министертво образования Белгородской области

Областное государственное автономное профессиональное образовательное учреждение

 «Шебекинский техникум промышленности и транспорта»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ  РАБОТ

ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ

 Материаловедение

22.02.06 Сварочное производство

Разработал(и)  преподаватель(и)        ______________

Рассмотрены на заседании ЦК________

Протокол №___

 «___»__________2023 г.

Председатель ЦК ________

                                             Шебекино, 2023 г.

1. ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

При подготовке к работе рекомендуется придерживаться следующего плана:

1. Перед началом практической (лабораторной) работы студент должен детально ознакомиться с правилами работы.
2. Прочитать название работы, основные теоретические положения и порядок выполнения работы.
3. Ознакомиться с требованиями.
4. Продумать, какой вывод следует сделать по результатам полученных данных.

Перед началом работы преподаватель в краткой беседе выясняет степень подготовленности студента к практическим работам.

В отчете должны быть записаны: тема занятий, ход выполнения работы.  В процессе работы в отчет заносятся результаты наблюдений.

После окончания работы студент показывает преподавателю результаты и сделанные из них выводы.

Перечень лабораторных  работ

по учебной дисциплине:

Лабораторная работа №1 Определение твердости металлов по Бринеллю, Роквеллу.

Лабораторная работа №2 Изучение диаграммы состояния железо-цементит.

Лабораторная работа №3 Цветные металлы: расшифровка марок цветных металлов; применение цветных металлов

Лабораторная работа №1 Определение твердости металлов по Бринеллю, Роквеллу.

Цель работы:

1. Ознакомиться с методами определения твердости по Бринеллю и Роквеллу.
2. Научится измерять твердость металлических образцов различными методами.
3.  Ознакомиться с условиями применения того или иного метода определения твердости; подготовкой образцов для измерения твердости.
4. Проследить зависимость твердости металлов от состава сплава.

                  1.  Оборудование  и материалы, используемые  при  выполнении работы:

1. Динамический твердомер ТЭМП-2;
2.  Образцы из алюминия, стали, бронзы;
3.  Наждачный круг и абразивная бумага.

            2.  Порядок выполнения работы.

1. Изучить теоретическую часть работы.

2. Определить твердость образцов из различных материалов с помощью твердомера ТЭМП-2.

3. Определить расчетным путем твердость материалов.

                  3. Краткая теоретическая часть.

Определение твердости методом Бринелля

Твердость характеризует сопротивление материала большим пластическим деформациям. Наиболее распространенные методы определения твердости связаны с внедрением в испытуемый материал специального тела, называемогоиндентором, с таким усилием, чтобы произошла пластическая деформация. В материале при этом остается отпечаток индентора, по которому судят о величине твердости. Определение твердости — наиболее распространенный метод исследования свойств материала. Это объясняется рядом причин: определение твердости является неразрушающим методом, так как деталь после такого измерения может быть использована по назначению; испытания на твердость не требуют высокой квалификации; зная твердость, можно судить и о других механических свойствах.

Метод Бринелля. В качестве индентора используется стальной закаленный шарик, который вдавливают в испытуемый образец на специальном прессе (рис.3.8). В результате на поверхности образца образуется отпечаток в виде сферической лунки (рис. 3.9). Диаметр отпечатка измеряют в двух взаимно-перпендикулярных направлениях с помощью микроскопа Бринелля — лупы со шкалой. Число твердости НВ, кгс/м м², — это отношение приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка, его вычисляют по формуле НВ = 2P/D[D — (D2 — d2)]V, где Р — прилагаемая нагрузка; D и d — соответственно диаметр шарика и отпечатка.

На практике пользуются таблицей, в которой указаны значения твердости в зависимости от диаметра отпечатка. Диаметр шарика и нагрузку выбирают так, чтобы соблюдалось соотношение d= (0,25…0,5)D, т.е. для разных материалов эти параметры различны. При диаметре индентора 10 мм, нагрузке 3000 кгс (29430 Н) и времени выдержки под нагрузкой 10 с твердость обозначается только цифрами и латинскими буквами, например 200 НВ. Эти условия приняты для определения твердости сталей и чугунов. При изменении условий испытаний помимо значений твердости указываются диаметр шарика, усилие и время выдержки под нагрузкой. Например, 185 НВ/5/750/20, здесь 5 — диаметр шарика в мм, 750 — нагрузка в кгс (7 350 Н), 20 — время выдержки под нагрузкой в с.

Метод Бринелля не является универсальным. Он не позволяет испытывать материалы с твердостью более 450 НВ (может деформироваться шарик), а также образцы толщиной менее десятикратной глубины отпечатка.

Между твердостью по Бринеллю и пределами прочности и текучести соблюдаются следующие примерные соотношения: для стали НВ/3, НВ/6; для алюминиевых сплавов 0,362 НВ; для медных сплавов 0,26 НВ.

Твёрдость по Бринеллю определяется по формуле, указанной в таблице 1(когда усилие выражено в кгс). При определении твёрдости по Бринеллю за диаметр отпечатка d принимают среднеарифметическое значение результатов измерений.

Обозначается твёрдость по Бринеллю численным значением и символом HB, после которых указывается диаметр шарика и приложенное усилие. Только когда твёрдость по Бринеллю определяется шариком диаметром 10 мм при усилии 3000 кгс и продолжительности выдержки 30 секунд, обозначение результата представляет собой лишь числовое значение и HB, например 285 HB.

Метод Роквелла — твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной и обозначается HR, HRB, HRC и HRA; твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 (130) − kd, где d — глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k — коэффициент. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу по шкалам A и C составляет 100 единиц, а по шкале B — 130 единиц.

Таблица 1.

Формулы для определения твёрдости

Чем твёрже материал, тем меньше будет глубина проникновения наконечника в него. Чтобы при большей твёрдости материала не получалось большее число твёрдости по Роквеллу, вводят условную шкалу глубин, принимая за одно её деление глубину, равную 0.002 мм. При испытании алмазным конусом предельная глубина внедрения составляет 0.2 мм, или 0.2 / 0.002 = 100 делений, при испытании шариком — 0.26 мм, или 0.26 / 0.002 = 130 делений. Таким образом формулы для вычисления значения твёрдости будут выглядеть следующим образом:

а) при измерении по шкале А (HRA) и С (HRC):

Разность  представляет разность глубин погружения индентора (в миллиметрах) после снятия основной нагрузки и до её приложения (при предварительном нагружении).

б) при измерении по шкале B (HRB):

Факторы, влияющие на точность измерения

1. Важным фактором является толщина образца. Не допускается проверка образцов с толщиной менее десятикратной глубины проникновения наконечника
2. Ограничивается минимальное расстояние между отпечатками (3 диаметра между центрами ближайших отпечатков)
3. Недопущение параллакса при считывании результатов с циферблата

Сравнение шкал твёрдости

Простота метода Роквелла (главным образом, отсутствие необходимости измерять диаметр отпечатка) привела к его широкому применению в промышленности для проверки твёрдости. Также не требуется высокая чистота измеряемой поверхности (например, методы Бринелля и Виккерса включают замер отпечатка с помощью микроскопа и требуют полировку поверхности). К недостатку метода Роквелла относится меньшая точность по сравнению с методами Бринелля и Виккерса. Существует корреляция между значениями твёрдости, измеренной разными методами (см. рисунок — перевод единиц твёрдости HRB в твёрдость по методу Бринелля для алюминиевых сплавов). Зависимость носит нелинейный характер. Имеются нормативные документы, где приведено сравнение значений твёрдости, измеренной разными методами .

Задание:

1. Определить твердость металла расчетным путем и проследить зависимость твердости металлов от состава сплава.
2. Сравнить расчетные значения со значениями, измеренными с помощью динамического твердомера ТЭМП-2.

Решение задачи:   подставляем в формулу :

значения величин, данных в задании и определяем твердость металла расчетным путем.

1. Вариант                                                            2- Вариант

D = 5 мм                                                            D = 10 мм

d = 3 мм                                                            d = 6 мм

        Материал:                                                

   1.   Сталь:  Р = 30*D2

   2.    Бронза:  Р = 10*D2

   3.   Алюминий:  Р = 2,5*D2

Отчет о проделанной работе.

1. Название и цель лабораторной работы.
2. Описание методов определения твердости по Бринеллю и Роквеллу.
3. Сравнить значения параметров твердости, определенных расчетным и практическим путем.
4. Вывод.

Контрольные вопросы:

. Что такое твердость?

2. Классификация методов измерения твердости.

3. Сущность измерения твердости по Бринеллю.

4. До какого значения твердости при испытании по Бринеллю используются стальные шарики?

5. Какого диаметра шарики используются при испытании на твердость по Бринеллю?

6. Из каких условии выбирается диаметр шарика при испытании на твердостьпо Бринеллю?

7. Пример записи твердости по Бринеллю?

8. Сущность измерения твердости по Роквеллу?

Лабораторная работа №2 Изучение диаграммы состояния железо-цементит.

Цель работы: изучить линии, точки, области и фазы диаграммы железо-цементит.

Основные понятия

Диаграмма железо-углерод является основой для изучения и понимания процессов, происходящих при нагревании и охлаждении железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов). Используя диаграмму Fe-С можно: определить температуру термической обработки, способность сплава воспринимать термическую обработку, рассчитать температуру начала и конца горячей обработки давлением, уточнить литейные или механические свойства сплава, узнать структуру сплава при заданной температуре.

На диаграмме (рис.1.) по горизонтальной оси отложено процентное содержание углерода, по вертикальной - температура сплава.

Для анализа диаграммы железо - цементит применяют правило Гиббса, которое выражается формулой

С = К-Ф + 1

где: С - число степеней свободы, т. е. число внешних факторов (температура и концентрация), которые можно изменять без изменения числа фаз в сплаве; К - число компонентов (в сталях К равно 2 - углерод и железо); Ф - число фаз.

Фазой называется химически однородная часть сплава, отделенная от других его частей поверхностью, раздела. Фазами могут быть химические элементы, химические соединения, жидкости и твердые растворы.

В железоуглеродистых сплавах при нагревании и охлаждении получаются следующие структурные составляющие: феррит, аустенит, цементит, перлит и ледебурит.

Рис.1. Диаграмма железо-цементит

Ход работы

необходимо заполнить таблицу, в которой дать характеристику и структуру железоуглеродистых сплавов, указать возможное содержание в структурах углерода, дать определение структур.

Контрольные вопросы.

1. В чем практическая ценность диаграммы железо-углерод?

2. Приведите примеры твердых сплавов, механических смесей?

3. Как записывается правило Гиббса

Лабораторная работа №3 Цветные металлы: расшифровка марок цветных металлов; применение цветных металлов

Цель: расшифровать буквы и цифры в названии марок цветных металлов и сплавов.

Оборудование: мультимедийный проектор

Ход урока:

1. Организационный момент (проверить готовность к уроку, отметить отсутствующих, объявить тему и цель урока, порядок выполнения работы)

Порядок выполнения работы
1.  Изучить характеристики и  расшифровку марок алюминия и его сплавов, меди и её сплавов, изложенных в теоретической части работы.

2.  Произвести расшифровку  предложенных марок материалов таблицы 1, полученные результаты записать в таблицу 2.

3. Оформить отчёт работы

Задание

Произвести расшифровку марок цветных металлов и их сплавов из таблицы 1

2. Теоретическая основа работы

Классификация  цветных сплавов.

  Алюминий и алюминиевые сплавы

  Медь и медные сплавы

  Титан, магний и их сплавы

   Олово, свинец, цинк и их сплавы

 Алюминий и его сплавы

Алюминий - легкий металл, обладающий высокими тепло- и электропроводностью, стойкий к коррозии. В зависимости от степени частоты первичный алюминий согласно ГОСТ 11069-74 бывает особой (А999), высокой (А995, А95) и технической чистоты (А85, А7Е, АО и др.). Алюминий маркируют буквой А и цифрами, обозначающими доли процента свыше 99,0% Al; буква "Е" обозначает повышенное содержание железа и пониженное кремния.

А999 - алюминий особой чистоты, в котором содержится не менее 99,999% Al;

А5 - алюминий технической чистоты в котором 99,5% алюминия. Алюминиевые сплавы разделяют на деформируемые и литейные. Те и другие могут быть не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой.

Деформируемые алюминиевые сплавы хорошо обрабатываются прокаткой, ковкой, штамповкой. Их марки приведены в ГОСТ4784-74. К деформируемым алюминиевым сплавам не упрочняемым термообработкой, относятся сплавы системы Al-Mn и AL-Mg:Aмц; АмцС; Амг1; АМг4,5; Амг6. Аббревиатура включает в себя начальные буквы, входящие в состав сплава компонентов и цифры, указывающие содержание легирующего элемента в процентах. К деформируемым алюминиевым сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы системы Al-Cu-Mg с добавками некоторых элементов (дуралюны, ковочные сплавы), а также высокопрочные и жаропрочные сплавы сложного хим.состава. Дуралюмины маркируются буквой "Д" и порядковым номером, например: Д1, Д12, Д18, АК4, АК8.

Чистый деформируемый алюминий обозначается буквами "АД" и условным обозначением степени его чистоты: АДоч (>=99,98% Al), АД000(>=99,80% Аl), АД0(99,5% Аl), АД1 (99,30% Al), АД(>=98,80% Аl).

Литейные алюминиевые сплавы (ГОСТ 2685-75) обладает хорошей жидко-текучестью, имеет сравнительно не большую усадку и предназначены в основном для фасонного литья. Эти сплавы маркируются буквами "АЛ" с последующим порядковым номером: АЛ2, АЛ9, АЛ13, АЛ22, АЛЗО.

Иногда маркируют по составу: АК7М2; АК21М2, 5Н2,5; АК4МЦ6. В этом случае "М" обозначает медь. "К" - кремний, "Ц" - цинк, "Н" - никель; цифра - среднее % содержание элемента.

Из алюминиевых антифрикционных сплавов (ГОСТ 14113-78) изготовляют подшипники и вкладыши как литьем так и обработкой давлением. Такие сплавы маркируют буквой "А" и начальными буквами входящих в них элементов: А09-2, А06-1, АН-2,5, АСМТ. В первые два сплава входят в указанное количество олова и меди (первая цифра-олово, вторая-медь в %), в третий 2,7-3,3% Ni и в четвертый медь сурьма и теллур.

 Медь и её сплавы

Технически чистая медь обладает высокими пластичностью и коррозийной стойкостью, малым удельным электросопротивлением и высокой теплопроводностью. По чистоте медь подразделяют на марки (ГОСТ 859-78).

После обозначения марки указывают способ изготовления меди: к - катодная, б - бес кислородная, р - раскисленная. Медь огневого рафинирования не обозначается.

МООк - технически чистая катодная медь, содержащая не менее 99,99% меди и серебра.

МЗ - технически чистая медь огневого рафинирования, содержит не менее 99,5%меди и серебра.

Медные сплавы разделяют на бронзы и латуни. Бронзы- это сплавы меди с оловом (4 - 33% Sn хотя бывают без оловянные бронзы), свинцом (до 30% Pb), алюминием (5-11% AL), кремнием (4-5% Si), сурьмой и фосфором (ГОСТ 493-79 , ГОСТ 613-79, ГОСТ 5017-74, ГОСТ 18175-78).

Латуни - сплавы меди с цинком (до 50% Zn) и небольшими добавками алюминия, кремния, свинца, никеля, марганца (ГОСТ 15527-70, ГОСТ 17711-80). Медные сплавы предназначены для изготовления деталей методами литья, называют литейными, а сплавы, предназначенные для изготовления деталей пластическим деформированием - сплавами, обрабатываемыми давлением.

Медные сплавы обозначают начальными буквами их названия (Бр или Л), после чего следуют первые буквы названий основных элементов, образующих сплав, и цифры, указывающие кол-во элемента в процентах. Приняты следующие обозначения компонентов сплавов:

 Примеры БрА9Мц2Л - бронза, содержащая 9% алюминия, 2% Mn, остальное Cu ("Л"' указывает, что сплав литейный);

ЛЦ40Мц3Ж - латунь, содержащая 40% Zn, 3% Mn, ~l% Fe, остальное Cu;

Бр0Ф8,0-0,3 - бронза на ряду с медью содержащая 8% олова и 0,3% фосфора;

ЛАМш77-2-0,05 - латунь содержащая 77% Cu, 2% Al, 0,055 мышьяка, остальное Zn (в обозначении латуни, предназначенной для обработки давлением, первое число указывает на содержание меди).

В несложных по составу латунях указывают только содержание в сплаве меди:Л96 - латунь содержащая 96% Cu и ~4% Zn (томпак);

Лб3 - латунь содержащая 63% Cu и -37% Zn.

Марки меди и её применение

                        1. Практическая часть работы

 Порядок  составление отчета

1. Записать название работы        

2. Нарисовать таблицу 2

3. Провести  расшифровку марок стали из таблицы 1, полученные результаты  записать в таблицу 2

4. Ответить на контрольные вопрос

Таблица 1

Таблица 2

Контрольные вопросы для самостоятельной работы

1. Опишите основные свойства меди.

2. Какие примеси меди значительно снижают пластичность и электропроводность?

3. Как влияет кислород, висмут, сера на структуру и свойства меди?

4. Опишите влияние цинка на свойства латуней.

5. Опишите влияние легирующих элементов на свойства бронз.

6. Какие принципы положены в основу маркировки латуней и бронз?

7. Как по маркировке отличить алюминиевые сплавы для литья (силумины) от сплавов для пластического деформирования (дюралюмины)? Всегда ли это возможно?

Список литературы.

Основная литература:

1.Вологжанина С.А.Материаловедение:учебник для спо.- М.: «Академия»,2017.

2. Адаскин А. М. Материаловедение: учеб. пособие – М.: Академия, 2020

3. Овчинников В.В. Основы материаловедения для сварщиков; учебник для спо.- М.: Академия, 2015

4. Солнцев Ю. П. Материаловедение: учебник/ Ю. П. Солнцев, С. А. Вологжанина, А. Ф. Иголкин. - 6-е изд., перераб.  - М.: Академия, 2019

5. Черепахин А. А. Материаловедение: учебник/ А. А. Черепахин. - 5-е изд., перераб. - М.: Академия, 2015

6.Чумаченко Ю. Т. Материаловедение и слесарное дело: учебник/ Ю. Т. Чумаченко, Г. В. Чумаченко. – М.: КНОРУС, 2015

7.Лабораторный практикум по материаловедению в машиностроении и металлообработке: учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования – 3-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2015. – 240с.

8.Соколова Е.Н. Материаловедение: Лабораторный практикум: учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования /Е.Н. Соколова, А.О.Борисова, Л.В. Давыденко. – 2-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2015

9.Адаскин А.М. Современный режущий инструмент: учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования /А.М. Адаскин, Н.В. Колесов. – 3-е изд., испр. – М.: Издательский центр «Академия», 2015.

Дополнительная литература:

1. Никифоров В. М. Технология металлов и других конструкционных  материалов: учеб. - 8-е изд., перераб. и доп. -  Спб.: Политехника, 2006

2. Адаскин А. М. Материаловедение: учебник. – М.: Профессиональное образование, 2002

3. Дальский А. М. Технология  конструкционных материалов: учеб. - М.: Машиностроение, 1977

4. Никифоров В.М. Технология металлов и конструкционные материалы: учеб. - М.: Высшая школа, 1980

5. Черепахин А. А. Материаловедение: учеб. - М.: Академия, 2004

Электронные учебники

1. Материаловедение : учебное пособие / С. В. Давыдов, Д. А. Болдырев, Л. И. Попова, М. Н. Тюрьков. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020.

2.Черепахин А. А.Материаловедение Учебник для СПО Учебник Среднее профессиональное образование КУРС - 2020 эбс3.Фетисов, Г. П.

 3.Материаловедение и технология металлов : учебник / Г. П. Фетисов, Ф. А. Гарифуллин. - Москва : Издательство Оникс