Богодухов С.И., Бондаренко Е.В., Проскурин А.Д. и др. Материаловедение и технологические процессы машиностроительного производства. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования -

«Оренбургский государственный университет»

С.И. БОГОДУХОВ, Е.В. БОНДАРЕНКО, А.Д. ПРОСКУРИН,

В.А. НЕДЫХАЛОВ, А.Г. СХИРТЛАДЗЕ, Р.М. СУЛЕЙМАНОВ,

В.И. ЮРШЕВ, А.С. КИЛОВ, Е.В. КАЛМЫКОВ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МА-

ШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО

ПРОИЗВОДСТВА

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию

в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве

учебного пособия для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по направлениям подготовки бакалавров и магистров

«Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных

производств» и дипломированных специалистов «Конструкторско-

технологическое обеспечение машиностроительных производств».

Оренбург 2004

ББК 34.5 я73

М34

УДК 621 (075.8)

Рецензент

доктор технических наук, профессор Р.Т. Абдрашитов

Богодухов С.И., Бондаренко Е.В., Проскурин А.Д. и другие

М34 Материаловедение и технологические процессы машино-

строительного производства: Лабораторный практикум/

Под общей редакцией Заслуженного деятеля науки РФ,

член-корреспондента Академии инженерных наук РФ,

доктора технических наук, профессора, заведующего

кафедрой материаловедения и технологии материалов

Богодухова С.И. –Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. – 409с.

ISBN

Лабораторный практикум состоит из 16 лабораторных работ по ма-

териаловедению и 21 лабораторной работы по технологическим процес-

сам машиностроительного производства и технологии конструкционных

материалов. Каждая работа включает теоретическое изложение материа-

ла, описание методики проведения работы и контрольные вопросы для

самоподготовки.

Лабораторный практикум предназначен для выполнения лабора-

торных работ по дисциплинам: «Материаловедение», «Технологические

процессы машиностроительного производства» и «Технология конст-

рукционных материалов» для студентов специальности 060800 (ЭУП);

100100 (ЭС); 100400 (Э); 180100 (ЭМ); 180400 (ЭП); 180700 (ЭТ);

120100 (ТМ); 120200 (МСК); 120600 (ТПИ); 150200 (ААХ); 170500

(МАХП); 170600 (МАПП); 190600 (ИДМБ); 210200 (АТП); 230100

(СТЭ); 240400 (ОБД); 290300(ПГС); 271300 (ПИМП).

2701000000

ББК 34.5 я73

Проскурин А.Д. и др., 2004

ISBN © ГОУ ОГУ, 2004

Введение

Методические указания составлены в соответствии с рабочими про-

граммами курсов «Материаловедение», «Технологические процессы маши-

ностроительного производства» и «Технология конструкционных материа-

лов».

Целью лабораторного практикума является практическое изучение ос-

новных свойств материалов, основных технологических процессов в маши-

ностроении.

В результате выполнения лабораторных работ студент приобретает

знания по методам определения основных свойств материалов и их перера-

ботке, прогрессивных технологий, умения и навыки обработки результатов

эксперимента, устанавливает связь между теоретическими основами и их

практическим воплощением.

В каждой работе приведены относящиеся к ней основные сведения, по-

рядок выполнения работы, содержание отчёта, контрольные вопросы для са-

мопроверки. В конце пособия приведен рекомендуемый библиографический

список.

Лабораторный практикум подготовили:

- по курсу материаловедение доктор технических наук, профессор Бо-

годухов С.И. /1, 2, 3, 4, 8, 10, 11, 12, 13, 14/; кандидат технических наук, до-

цент Бондаренко Е.В. /1, 3, 10, 11/; кандидат технических наук, доцент Про-

скурин А.Д. /4, 6, 7/; кандидат технических наук, профессор Схиртладзе А.Г.

/3, 13/; кандидат технических наук, доцент Килов А. С. /16/; преподаватель

Калмыков Е.В. /5, 9, 15, 16/.

- по курсам технологические процессы машиностроительного произ-

водства и технология конструкционных материалов доктор технических на-

ук, профессор Богодухов С.И. /18, 23, 33, 37/; кандидат технических наук,

доцент Бондаренко Е.В. /19/; кандидат технических наук, доцент Проску-

рин А.Д. /19, 29, 30, 31, 36/; кандидат технических наук, доцент Не-

дыха-лов В.А. /17, 18, 35/; кандидат технических наук, профессор Схиртлад-

зе А.Г. /34, 35, 36, 37/; кандидат технических наук, доцент Сулейманов Р. М.

/20, 21, 24/; кандидат технических наук, доцент Юршев В. И. /25, 26, 27, 28,

29, 31, 32/; кандидат технических наук, доцент Килов А. С. /22/.

Перед началом работы в лаборатории студент должен ознакомиться с

правилами техники безопасности:

1) приступить к выполнению работ можно только с разрешения препо-

давателя, после проведённого им инструктажа по технике безопасности;

2) на занятии студент выполняет только ту работу, которая указана пре-

подавателем. Переход на другое рабочее место, без разрешения преподава-

теля, не допускается;

3) включение и выключение лабораторного оборудования производит-

ся только преподавателем, учебным лаборантом или по их разрешению

студентами;

4) при выполнении лабораторной работы необходимо быть предельно

внимательным, сосредоточенным, не проявлять спешки, суеты, рассеянности;

5) категорически запрещается находиться в опасной зоне работающего

оборудования и в расстёгнутой одежде;

6) не допускается работа на оборудовании в расстегнутой одежде и с

распущенными волосами;

7) работать в лаборатории в отсутствии преподавателя или лаборанта, а

также в неустановленное время без разрешения преподавателя – запрещает-

ся;

8) категорически запрещается студентам выполнять в учебной лабора-

тории экспериментальные работы, не связанные с учебным лабораторным

практикумом, в отсутствие преподавателя.

Часть I Материаловедение

1 Лабораторная работа № 1

Макро- и микроскопический методы исследования металлов и

сплавов

1.1 Цель работы

1.1.1 Иметь представление о существующих методах исследования

строения металлов и сплавов.

1.1.2 Ознакомиться с методами макроскопического анализа и изучить

характерные виды макроструктур

1.1.3 Ознакомиться с устройством металлографического микроскопа, с

методикой исследования микроструктуры металлов и сплавов, изготовлени-

ем шлифов.

1.1.4 Научиться пользоваться металлографическим микроскопом для

исследования микроструктуры

1.2 Общие сведения о микроструктурном методе исследования

строения металлов и сплавов

Свойства металлов и особенно сплавов весьма разнообразны и обу-

словливаются, прежде всего, химическим составом, а затем строением или

структурой.

Для изучения структур металлов и сплавов применяются прямые и кос-

венные методы. К числу прямых методов относятся:

1) исследование макроструктуры невооружённым глазом по виду из-

ломов или шлифованных и протравленных макрошлифов;

2) исследование микроструктуры при помощи оптического микроскопа

с увеличением до 1500 раз, а также с применением электронного микроскопа

с увеличением до 200 тыс. раз;

3) исследование атомно-кристаллической структуры с помощью рент-

генографического анализа, позволяющего различать расстояния порядка

-8

см.

К числу косвенных методов относятся: магнитный, дилатометриче-

ский, измерение электросопротивления и другие физические методы иссле-

дования, которые, хотя и не дают прямого изображения структуры, но всё же

позволяют вскрыть кинетику происходящих в них превращений.

Кроме того, существуют методы исследования структуры путём опре-

деления твёрдости, микротвёрдости, механических и технологических

свойств, а также проведения химического и спектрального анализов и пр.

1.3 Макроскопический анализ

Макроструктурным анализом или кратко макроанализом называется

метод исследования строения металлов и сплавов невооруженным глазом

или при небольших увеличениях - до 30 раз. Строение металлов, изучаемое

при помощи макроанализа, называется макроструктурой.

Метод макроскопического анализа позволяет:

1) исследовать излом для установления характера разрушения;

2) выявить дефекты, нарушающие сплошность металла - рыхлость, га-

зовые пузыри, трещины, усадочные раковины, флокены, расслоения, свищи и

другие дефекты в литых заготовках или полученных обработкой давлением,

а также в сварных швах;

3) определить характер первичной кристаллизации и дендритной

структуры в слитках или литых деталях;

4) определить химическую неоднородность сплава (ликвацию, в част-

ности, ликвацию углерода и вредных примесей серы и фосфора), шлаковые

включения, неметаллические включения;

5) определить неоднородность строения сплава, вызванную последую-

щей обработкой давлением;

6) определить неоднородность состава и структуры, возникающую по-

сле термической или химико-термической обработки, например, зону цемен-

тации в стали.

В задачу данного руководства не входит ознакомление со всеми вида-

ми дефектов, встречающихся в сталях, и методами их определения. Перечис-

ленное выше должно способствовать пониманию того, что в металлах суще-

ствуют многообразные факторы, нарушающие правильное строение метал-

лов.

Изучение изломов - наиболее простой метод макроанализа. Этот метод

прост и доступен. С помощью этого метода можно определить: форму и раз-

меры зерен, разновидность излома, характер разрушения. Изучение металла

по виду излома применяется для оценки качества металла. Например, мелко-

зернистый излом свидетельствует о более высоких механических свойствах,

чем крупнозернистый.

По характеру разрушения различают три вида изломов: хрупкий, вяз-

кий, а также усталостный (рисунок 1.1).

Хрупкий излом (рисунок 1.1 а) образуется при однократном стати-

ческом или динамическом нагружении без заметной предварительной пла-

стической деформации. Излом имеет кристаллическое строение. Характерен

для сталей, термообработанных на высокую прочность. В изломе обычно

видно форму и размер зерен металла.

Вязкому излому (рисунок 1.1 б) предшествует значительная пласти-

ческая деформация. Излом имеет "волокнистое" строение, обусловленное

сильной деформацией зерен.

а) б) в)

а – хрупкий б – вязкий в - усталостный

Рисунок 1.1 - Виды изломов металлов

Усталостный излом (рисунок 1.1 в) образуется в результате зарождения

и дальнейшего постепенного развития микротрещин под влиянием много-

кратно повторяющихся циклических нагрузок. Усталостный излом имеет две

зоны разрушения: усталостную зону предварительного разрушения с гладкой

притертой поверхностью и зону долома. Зона долома образуется, когда по-

перечное сечение детали уже настолько ослаблено трещиной, что оказывает-

ся недостаточным для сопротивления действующей нагрузке. Окончательное

разрушение металла происходит внезапно. Зона долома хрупких металлов

имеет грубое кристаллическое строение, а зона долома вязких металлов - во-

локнистое.

Излом позволяет обнаружить различные дефекты металла (пустоты,

трещины, газовые пузыри) и дефекты обработки. По излому можно опреде-

лить глубину закаленного слоя. Закаленный образец ломают и по виду изло-

ма делают заключение о глубине закалки: закаленный слой имеет волокни-

стый излом, а незакаленная зона - кристаллический.

Не все дефекты и особенности строения металлов могут быть обнару-

жены в изломе. Для выявления дефектов, нарушающих сплошность метал-

лов, определения химической неоднородности стали, определения неодно-

родности стали, созданной горячей обработкой давлением и других, приме-

няют макрошлифы.

Макрошлифом называется образец металла, поверхность которого под-

готовлена для макроанализа. Подготовка образца заключается в вырезке его

из интересующего участка изделия с последующей шлифовкой. В зависимо-

сти от химического состава сплава и целей макроанализа реактивы для выяв-

ления соответствующих дефектов могут быть различными. Так, для выявле-

ния характера распределения серы применяют метод Баумана, который на-

шел широкое применение в практике. Он заключается в том, что на макро-

шлиф накладывают предварительно смоченную в 5 % растворе серной ки-

слоты бромосеребряную фотографическую бумагу. При выдержке в течение

2-3 минут между сульфидами серы и серной кислотой протекает реакция с

выделением сероводорода. Последний взаимодействует с бромистым сереб-

ром и образует сернистое серебро, имеющее на фотобумаге темно-

коричневый цвет, который указывает на участки, обогащенные серой.

Наиболее часто и характерно применение макроанализа для контроля

сварных соединений. Его производят на макрошлифах с применением трав-

ления в специальных травителях.

Дефектами сварных соединений являются:

1) непровар - местное несплавление металла вследствие неполного рас-

плавления кромок;

2) подрез зоны оплавления - местное углубление вдоль линии сплавле-

ния сварного шва;

3) трещины (продольные, поперечные, разветвленные, микротрещины,

сетка трещин) сварного соединения, разрыв в сварном шве и прилегающих к

нему зонах;

4) поры сварного шва - полости округлой формы наполненные газом;

5) неметаллические выключения - шлаковые, окисные и другие части-

цы в металле шва.

1.4 Микроскопический анализ

Микроскопический метод исследования металлов и сплавов или кратко

микроанализ, предусматривает изучение структуры металла при помощи ме-

таллографического микроскопа. Между микроструктурой и многими свойст-

вами металла существует достаточно определенная связь. Поэтому микро-

анализ имеет большое значение.

Микроскопический анализ включает: приготовление микрошлифа, вы-

явление микроструктуры (травление), исследование структуры под микро-

скопом. Наблюдаемая в микроскопе картина строения металла называется

микроструктурой. Микроструктура металлов и сплавов характеризуется ко-

личеством, формой и расположением фаз и размером зерна, которые влияют

на механические свойства сплавов. Микроанализ применяется для определе-

ния формы и размеров зерен, для выявления микропороков металла - микро-

трещин, раковин, пористости, микровключений, ликвации.

1.5 Приготовление микрошлифов

Изучать структуру металла с помощью микроскопа можно лишь при

отражении световых лучей от поверхности исследуемого металла. Неболь-

шой отражающей способностью обладает ровная и плоская блестящая по-

верхность. Поэтому поверхность образца для микроанализа должна быть

специально подготовлена. Образец, поверхность которого подготовлена для

микроанализа, называется микрошлифом.

Микрошлиф представляет собой специальный образец металла, имею-

щий зеркальную поверхность, которая получается тщательным шлифованием

и полированием.

Наиболее удобными для изготовления шлифов являются образцы ци-

линдрического или квадратного сечения диаметром или стороной квадрата

10-20 мм и высотой 15-30 мм. При изготовлении образцов малого размера из

листов или проволоки следует применять зажимы или заливать их прозрач-

ной пластмассой. Поверхность образца вначале выравнивается на абразивном

круге, а затем подвергается шлифованию.

Шлифование проводят на наждачной шлифовальной бумаге разной

зернистости, последовательно переходя от бумаги с крупным абразивным

зерном к бумагам все меньшей зернистости.

Чтобы получить хорошее качество подготавливаемой поверхности об-

разца шлифование с самого начала надо вести правильно и аккуратно. Нельзя

переходить с крупнозернистой шлифовальной бумаги сразу на мелкозерни-

стую. В этом случае грубые риски полностью не устраняются, промежутки

между ними заполняются металлом, опилками, наждаком, и поверхность об-

разца только с виду кажется хорошо подготовленной. После дальнейшей об-

работки поверхности (полирования, травления) легко растворимый металл и

опилки будут удалены, и резко выступят грубые риски, которые придётся

удалять повторным шлифованием.

При шлифовании также не следует сильно нажимать на образец для ус-

корения работы, что иногда практикуется, так как это может вызвать замет-

ный нагрев шлифуемой поверхности и внедрение абразивных зёрен в металл,

в результате чего на микрошлифе будут чёрные точки.

После шлифования необходимо смыть водой остатки абразива и при-

ступить к полированию для удаления оставшихся мелких рисок.

Полирование осуществляется с помощью полировального станка, со-

стоящего из обтянутого сукном диска, смачиваемого суспензией мелкого

твёрдого порошка в воде. Частота вращения круга от электродвигателя 700-

800 об/мин. Во время полирования нужно постоянно смачивать диск, чтобы

диск ни на секунду не был сухим, так как при этом он может окислиться и

испортиться. В зависимости от материала и твёрдости образца могут приме-

няться различные виды абразивов: оксиды алюминия, магния, хрома, пасты

ГОИ.

Полирование заканчивается при получении зеркальной поверхности

шлифа. Образец промывается водой и быстро высушивается прикладывани-

ем полированной стороны к фильтровальной бумаге (осторожно); касаться

пальцами полированной стороны нельзя, так как это портит шлиф.

С помощью металлографического микроскопа до травления на зер-

кальной поверхности шлифа можно наблюдать только дефекты (микротре-

щины, микропоры) и неметаллические включения (оксиды, сульфиды, нитри-

ды, силикаты, графит) в чугунах. Для стали разработаны методы выявления

природы неметаллических включений и оценка их количества. Количествен-

ная оценка может быть осуществлена путём подсчёта включений и путём со-

поставления наблюдаемой под микроскопом картины со стандартными шка-

лами.

Для выявления микроструктуры полированную поверхность образца

подвергают травлению. Травление производят в растворах кислот, щелочей,

солей и в специальных реактивах. Однофазные структуры зерен различной

кристаллографической ориентировки имеют различную степень растворения

или окрашивания при воздействии реактива-травителя. На участках стыков

зёрен (граница зерна) скапливается наибольшее количество примесей, кон-

центрируются искажения решётки, и поэтому травимость увеличивается. Та-

кая структура при рассмотрении под микроскопом будет представлять зёрна

различной окраски с ясно различимыми границами.

При травлении многофазных структур отдельные фазовые составляю-

щие – зёрна чистых металлов, твёрдых растворов или химических соедине-

ний дают различную степень растворения при воздействии реактива-

травителя. После травления на поверхности шлифа вследствие разной трави-

мости структурных составляющих образуется рельеф.

При освещении протравленного микрошлифа на металлографическом

микроскопе лучи света будут по-разному отражаться от различно протрав-

ленных фазовых составляющих.

Фазовые составляющие, протравившиеся слабо, отразят больше лучей

света и будут казаться светлыми; фазовые составляющие, протравившиеся

сильно, отразят вследствие рассеяния света меньше лучей и будут казаться

тёмными.

Наиболее часто применяют следующие реактивы для травления сталей

и чугунов:

а) 4 %-ный раствор азотной кислоты в этиловом спирте (для углероди-

стых сталей и чугунов);

б) 4 %-ный раствор пикриновой кислоты в спирте (для закалённых ста-

лей);

в) пикриновая кислота и водный раствор едкого натрия для выявления

карбидов.

Признаком протравления является потускнение поверхности шлифа.

После травления микрошлиф промывают ватой, смочённой в спирте, а затем

просушивают прикладыванием фильтрованной бумаги.

В результате травления должно быть чёткое выявление микрострукту-

ры. Если структура недостаточно выявлена, следовательно, шлиф недотрав-

лен и его травят повторно. Если структура получается слишком тёмная, сле-

довательно, шлиф перетравлен. Тогда его нужно снова полировать и травить,

уменьшив время выдержки или ослабив травитель.

При выявлении структуры металлов, отличающихся высокой химиче-

ской стойкостью, не всегда удаётся выявить структуру при химическом трав-

лении. В таких случаях следует применять электролитическое травление.

Электролитическое травление проводят на специальной установке. Шлиф

помещают в электролит. Этот же шлиф является анодом. Катодом при трав-

лении служит нержавеющая сталь. Напряжение при электролитическом

травлении составляет от 2 до 6 В. Решающее значение для успешного распо-