Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение (методы анализа, лабораторные работы и задачи)

Подождите немного. Документ загружается.

Ю. А.

ГЕЛЛЕР,

А. Г. РАХШТАДТ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

(МЕТОДЫ

АНАЛИЗА,

ЛАБОРАТОРНЫЕ

РАБОТЫ И

ЗАДАЧИ)

ИЗДАНИЕ

ЧЕТВЕРТОЕ,

ДОПОЛНЕННОЕ

И ПЕРЕРАБОТАННОЕ

Допущено Министерством высшего и среднего

специального образования

СССР

качестве учебного пособия

для студентов металлургических

и машиностроительных специальностей вузов

МОСКВА

«МЕТАЛЛУРГИЯ» 1976

УДК

669.01

(075.8)

АННОТАЦИЯ

Учебное пособие для студентов металлургических, машинострои-

тельных и политехнических вузов. Может быть полезно инженерам и

техникам металлургической, машиностроительной и приборострои-

тельной промышленности.

В пособии изложены методы изучения строения и основных свойств

материалов, приведены лабораторные работы по основным разделам

курса (макро- и микроисследования, методы определения температур

превращений и фазового состава сплавов, механических и физико-

химических свойств, термическая обработка стали,

чугуна

и цветных

сплавов), задачи по разбору диаграмм состояния сплавов и их микро-

структур

и рациональному выбору состава и обработки сплавов и

других

материалов. Приведена систематизированная классификация

основных металлических сплавов, а также полимерных и

других

не-

металлических материалов, используемых в промышленности, и указана

область их наиболее широкого применения.

Издательство

«Металлургия»,

1975 г.

31100-035

040(01)-75

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЯ

МАТЕРИАЛОВ

Глава

I. Общая характеристика методов анализа материалов 7

Глава

II. Определение строения металлов методами макроскопического

анализа (макроанализа) 9

1. Характеристика макроанализа. Область применения

2. Макроанализ излома металла

3. Макроанализ шлифов

4. Лабораторные работы

Глава

III. Определение

структуры

материалов методами микроанализа 23

1. Характеристика микроанализа

2. Методы оптической микроскопии

3. Электронная микроскопия

4. Метод микрорентгеноспектрального анализа

5. Лабораторные работы

Глава

IV. Определение температур превращений (критических точек)

металлов 89

1. Метод термического анализа

2. Метод дифференциального термического анализа

3. Метод дилатометрического анализа

101

4. Лабораторные работы

по

термическому анализу

ПО

5. Лабораторные работы

по

дилатометрическому анализу

115

Глава

V. Определение фазового состава металлических сплавов 116

1. Методы измерения электрических свойств (резистометрический

анализ)

117

2. Методы измерения магнитных свойств (магнитный анализ)

... 123

3. Лабораторные работы

131

Глава

VI. Определение механических свойств материалов 134

1. Общая характеристика методов испытаний

134

2. Статические испытания

136

3.'Испытания

при

переменных нагрузках

(на

усталость)

149

4. Динамические испытания

153

5. Испытания

на

вязкость разрушения

157

6. Испытания

при

низких температурах

162

7. Испытания

при

повышенных температурах; определения ползу-

чести

163

Глава

VII. Определение твердости материалов 167

1. Твердость

как

характеристика свойств материалов

167

2. Метод измерения твердости вдавливанием шарика (твердость

по

Бринеллю)

170

3. Метод измерения твердости вдавливанием конуса

или

шарика

(твердость

по

Роквеллу)

174

4. Метод измерения твердости вдавливанием алмазной пирамиды

(твердость

по

Виккерсу)

179

5. Метод измерения микротвердости

181

6. Лабораторные работы

186

Глава VIII.

Определение физических и химических свойств 191

1. Определение физических свойств

191

2. Определение химических свойств

192

3. Лабораторные работы

196

ЧАСТЬ

ВТОРАЯ

ЗАДАЧИ ПО ДИАГРАММАМ СОСТОЯНИЯ

Глава IX. Задачи по диаграммам состояния двойных сплавов 198

1. Характеристика диаграмм двойных сплавов и методические указа-

ния

по их анализу и решению задач 198

2. Задачи 208

Глава X. Задачи по диаграммам состояния тройных сплавов 223

1. Характеристика диаграмм тройных сплавов и методические ука-

зания

по их анализу и решению задач 223

Задачи 234

ЧАСТЬ

ТРЕТЬЯ

ПЛАСТИЧЕСКАЯ

ДЕФОРМАЦИЯ И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

Глава XI. Пластическая деформация и рекристаллизация металлов и спла-

вов 250

1. Лабораторные работы 251

2. Задачи 252

ЧАСТЬ

ЧЕТВЕРТАЯ

ЛАБОРАТОРНЫЕ

РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ПО СТАЛЯМ И ЧУГУНАМ

Глава XII. Структура стали и

чугуна

в равновесном состоянии 255

1. Структура стали 255

2. Структура

чугуна

259

3. Лабораторные работы 263

Глава XIII. Превращения в стали при нагреве. Определение температур

критических

точек 266

1. Определение температур критических точек 266

2. Лабораторные работы 269

Глава XIV. Структура углеродистой стали в неравновесном состоянии

(в

результате

термической обработки) 271

1. Структура закаленной стали 271

2. Структура стали после отпуска 276

3. Лабораторные работы 277

Глава XV. Термическая обработка конструкционных сталей 279

1. Лабораторные работы по закалке и отпуску стали 279

2. Лабораторные работы по закалке стали с индукционным нагревом 282

Глава XVI. Термическая обработка инструментальных сталей 284

1. Определение свойств инструментальных сталей 284

2. Лабораторные работы 285

Глава

XVII.

Определение прокаливаемое™ сталей 289

1. Способы определения прокаливаемости 289

2. Лабораторные работы 295

Глава

XVIII.

Задачи по разбору микроструктур сталей и

чугунов

.... 299

ЧАСТЬ

ПЯТАЯ

ЛАБОРАТОРНЫЕ

РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ПО ЦВЕТНЫМ МЕТАЛЛАМ

СПЛАВАМ

Глава XIX. Лабораторные работы по микроанализу цветных сплавов , . 321

1. Структура цветных .металлов и сплавов 321

2. Лабораторные работы 329

Глава XX. Лабораторные работы по термической обработке дуралюмина 332

1. Методические указания к выполнению работ 332

3. Лабораторные работы 334

Глава XXI. Задачи по разбору микроструктур цветных металлов и спла-

вов 335

ЧАСТЬ

ШЕСТАЯ

ЗАДАЧИ ПО ВЫБОРУ СПЛАВОВ И РЕЖИМОВ

ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ РАБОТЫ

ДЕТАЛЕЙ И КОНСТРУКЦИЙ

Глава

XXII.

Методические

указания

решению

задач 350

Глава

ХХШ. Задачи по

конструкционным

сталям,

чугунам

полимер-

ным

материалам

351

Глава

XXIV. Задачи по

сталям

сплавам

специализированного

назна-

чения

363

Глава

XXV. Задачи по

инструментальным

сталям

сплавам

369

Глава

XXVI. Задачи по

цветным

металлам

сплавам

375

ЧАСТЬ

СЕДЬМАЯ

МАРКИ

(СОСТАВЫ)

И ПРИМЕНЕНИЕ

ОСНОВНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Глава

XXVII.

Марки

применение

металлических

сплавов

384

A. Стали, основы классификации и обозначения марок 385

1. Стали строительные 389

2. Стали машиностроительные (конструкционные) общего назначе-

ния

391

3. Стали и сплавы машиностроительные специализированного назна-

чения

398

4. Стали инструментальные 409

5. Стали и сплавы с особыми химическими свойствами (стойкие про-

тив коррозии) 412

6. Стали и сплавы с особыми физическими свойствами 416

Б.

Чугуны 420

1. Серый чугун 422

Ковкий

чугун 422

3. Высокопрочный чугун 423

4. Отбеленный чугун 424

5. Белый чугун 424

B. Медные сплавы 424

1. Медноцинковые сплавы. Латуни 428

2. Оловянные бронзы 429

3. Алюминиевые бронзы 429

4. Кремнистые бронзы 430

5. Бериллиевые бронзы 430

Г. Алюминиевые сплавы 430

1. Алюминиевые сплавы, обрабатываемые давлением 431

2. Литейные алюминиевые сплавы 431

3. Спекаемые алюминиевые сплавы 432

Д. Магниеные сплавы 433

1. Деформируемые магниевые сплавы 435

2. Литейные магниевые сплавы 435

Е. Титановые сплавы 435

Ж.

Подшипниковые сплавы (баббиты) 437

Глава

XXVIII. Материалы

высокой

твердости

438

1. Тьердые сплавы 438

2. Материалы высокой твердости 441

3. Материалы особо высокой твердости 441

'лава

XXIX.

Полимерные

материалы

443

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ 444

ПРЕДИСЛОВИЕ

В книге авторы стремились отразить характерное для последних

лет применение в промышленности новых материалов, в частности

особо высокопрочных, нержавеющих, жаропрочных и инструмен-

тальных сталей, сплавов с особыми физическими свойствами, спе-

ченных алюминиевых и титановых сплавов, а также полимерных

некоторых

других

неметаллических материалов.

По

этим причинам в книгу дополнительно включены лаборатор-

ные

работы и задачи по новым сплавам и неметаллическим материа-

лам. Многолетний методический опыт авторов показал, что студенты

успешнее решают задачи по выбору материалов (главы XXIII—

XXVI)

и лучше усваивают разделы курса о свойствах и назначении

материалов, если они предварительно

могут

в систематизированном

виде ознакомиться с составами (марками) наиболее важных мате-

риалов.

Поэтому в книгу введены новые главы

(XXVII—XXIX),

которых авторы изложили систематизированную классификацию

основных металлических сплавов, полимерных и

других

неметалли-

ческих материалов и указали область их наиболее широкого приме-

нения.

В книге также существенно обновлены разделы о методах иссле-

дования

и испытания материалов и введены новые методики об опре-

делении температур превращений й" фазового состава сплавов, хи-

мических свойств и др. Глава о механических свойствах, написан-

ная

Г. И. Погодиным-Алексеевым Для третьего издания «Металло-

ведение» в 1967 г., переработана и дополнена в соответствии с совре-

менными

представлениями о методах оценки прочности материалов

природе их разрушения. В этой же главе рассмотрены новые ме-

тоды определения механических свойств в сложнонапряженном

состоянии,

вязкости разрушения, свойств при криогенных темпера-

турах,

особенностей испытаний полимерных материалов и т. д.

В конце книги (с. 444) приведены методические указания для

проведения лабораторных работ и выполнения задач. Настоящее

издание учебного пособия имеет название «Материаловедение» в со-

ответствии с новой программой курса, в отличие от первых

трех,

вышедших под названием «Металловедение».

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

МАТЕРИАЛОВ

ГЛАВА

ОБЩАЯ

ХАРАКТЕРИСТИКА

МЕТОДОВ

АНАЛИЗА

МАТЕРИАЛОВ

В материаловедении используют разнообразные методы исследо-

вания

и испытаний, необходимые для получения достаточно полной

надежной информации о свойствах металлов и полимеров и об из-

менении

их в зависимости от химического состава, структуры и

обработки. Эти многочисленные и отличающиеся

между

собой ме-

тоды исследования можно распределить на следующие две группы:

1. Методы, с помощью которых определяют строение и превра-

щения,

протекающие в материалах и изменяющие их строение. Для

лучшей характеристики этих методов надо в свою очередь различать:

а) методы, использование которых позволяет непосредственно

наблюдать или определять строение материалов и которые называют

структурными. К ним относятся методы макроскопического (макро-

анализ),

микроскопического исследования (микроанализ) и рентге-

новский

;

б) методы, основанные на существовании связи

между

строением

свойствами материалов. Они позволяют косвенно, но достаточно

надежно судить о превращениях, протекающих в металлах при их

обработке и воздействующих на их

структуру,

по изменению

физи-

ческих свойств: теплосодержания (термический анализ),

коэффи-

циентов

теплового расширения и изменения объема (дилатометриче-

ский

анализ), электросопротивления, намагниченности насыщения

некоторых химических и механических свойств.

2. Методы, использование которых позволяет непосредственно

определять свойства материалов, требуемые в тех или иных условиях

эксплуатации и прежде всего механические, а также физические и

химические.

Структурные методы изучения металлов и прежде всего методы

микроскопического

анализа очень широко применяют для исследо-

вания

металлов. Главное преимущество их заключается в том, что

между

структурой металла и его свойствами в большинстве-случаев

существует

достаточно надежная качественная зависимость. Это

позволяет по данным микроанализа (а частично и макроанализа)

Методы

рентгеновского

анализа

рассматриваются

специальной

литературе.

не

только указать, в каком направлении изменяются механические,

физические

или химические свойства при тех или иных изменениях

структуре, но и объяснить причины этих различий в свойствах.

Более того, по данным, получаемым этими методами, возможно

указывать пути наиболее эффективного улучшения структуры, а

следовательно, и свойств и прогнозировать эксплуатационную на-

дежность изделий.

Достаточно, например, указать, что получение в конструкцион-

ных или инструментальных сталях более мелкого зерна, наблюдае-

мое в микроскопе, позволяет значительно повысить сопротивление

хрупкому разрушению. С

другой

стороны, образование в

структуре

частиц химических соединений (например, карбидов или интерметал-

лидов в стали) повышает в определенных пределах прочностные

свойства. Вместе с тем образование большого числа и довольно круп-

ных частиц новой фазы (в частности, тех же карбидов в стали),

также отчетливо наблюдаемое в микроскопе, снижает вязкость и

способствует развитию хрупкого разрушения.

Физические

и химические методы, позволяющие судить о пре-

вращениях, протекающих в тех или иных металлических сплавах,

существенно дополняют данные структурного исследования. Они

позволяют определять изменения состояния металлов, которые не

удается отметить структурными методами (в частности, когда пре-

вращения,

протекающие в них, приводят к изменению электронной

структуры атомов металлов). Измерение электрического сопротив-

ления

позволяет указать природу образующихся новых фаз в ме-

талле

и т. д.

Кроме

того, эти методы сообщают основные данные, необходи-

мые для построения диаграмм состояния металлических сплавов,

без которых нельзя характеризовать их фазовый состав и строение.

Известно,

что использование методов термического и микроанализа

позволило определить многие области диаграммы железо—углерод.

Наконец,

с помощью этих методов можно непрерывно и автома-

тически фиксировать изменения состояния материалов в условиях

быстрого нагрева или охлаждения под действием высоких или,

наоборот, низких давлений.

Необходимо, однако, помнить, что данные, получаемые структур-

ными

методами, имеют лишь качественный характер и не позволяют

получить количественные сведения о свойствах, нужные для ин-

женерных расчетов, а также о закономерностях их изменения,

требуемых

для выбора или создания новых сплавов с более высокими

свойствами и более совершенной термической обработкой.

_, Поэтому необходимы и прямые определения свойств как металли-

ческих сплавов, так и полимерных материалов. К ним прежде всего

относятся

методы определения механических свойств, а для ряда

материалов также и прямые определения физических свойств

(коэф-

фициента

теплового расширения, плотности, коэрцитивной силы,

магнитной

проницаемости и др.) и ряда химических свойств (элек-

Эти данные дополняются рентгеновским анализом.

трохимического потенциала, стойкости против коррозии в разных

агрессивных

средах

и т. д.).

Преимущество определений физико-химических и механических

свойств состоит в получении количественных оценок, необходимых

для выбора тех или иных материалов. Однако эти испытания без

указанных выше определений структуры и превращений были бы

совершенно недостаточны для полной характеристики технической

ценности

тех или иных металлов, для прогнозирования надежности

изготовляемых из них изделий и для улучшения и разработки но-

вых композиций материалов. Определяя свойства, требуемые для

данных условий эксплуатации, подобные испытания не характе-

ризуют способов получения этих материалов и особенности их обра-

ботки.

По

этим причинам в науке о материалах необходимо использо-

вать комплекс методов, дающих всестороннюю информацию о их

структуре, превращениях и свойствах. Основные методы рассматри-

ваются ниже.

Наконец,

для успешного использования материалов с целью

изготовления разнообразных конструкций, деталей и узлов машин,

инструментов в технике необходимо определение и еще одной до-

полнительной

группы свойств, а именно технологических, в част-

ности

литейных, определяющих поведение при изготовлении литых

деталей, деформируемости (способности принимать прокатку, ковку,

штамповку), свариваемости, обрабатываемости резанием и т. п.

Определения этих свойств прежде всего зависят от условий изготов-

ления

соответствующих изделий и рассматриваются в курсах тех-

нологии

машиностроения, литейного производства, ковки и штам-

повки

и др.

ГЛАВА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРОЕНИЯ

МЕТАЛЛОВ

МЕТОДАМИ МАКРОСКОПИЧЕСКОГО

АНАЛИЗА

(МАКРОАНАЛИЗ)

ХАРАКТЕРИСТИКА

МАКРОАНАЛИЗА.

ОБЛАСТЬ

ПРИМЕНЕНИЯ

Макроскопический

анализ заключается в определении строения

металла (макростроения) невооруженным глазом или через

лупу

при

небольших увеличениях (до 30 раз). В этом

случае

можно одно-

временно наблюдать большую поверхность заготовки (детали), что

часто позволяет судить о качестве металла и определять условия

предшествующей обработки, влияющие на сплошность металла и

особенности его строения, затвердевания, а также характер и ка-

чество обработки, применявшейся для придания детали окончатель-

ной

формы и свойств (литье, обработка давлением, сварка, резание).

Макроанализ

в отличие от микроскопического анализа (см гл III)

не

позволяет определить

всех

особенностей строения металла. По-

этому часто макроанализ является не окончательным, а лишь пред-

варительным видом исследования. По данным макроанализа можно

выбрать те участки изучаемой детали, которые надо подвергнуть

дальнейшему, более подробному микроскопическому исследованию.

Результаты макроскопического анализа можно в необходимых

случаях зафиксировать, получив снимок макроструктуры исследуе-

мого места детали или заготовки. Для этой цели применяют специ-

альные установки, позволяющие проводить съемку плоских и рель-

ефных объектов при увеличении от 0,5 до 20 раз.

Макростроение можно изучать не только непосредственно на

поверхности металла (например, отливок, поковок), но и в изломе

заготовки (детали), а также после предварительной подготовки

исследуемой поверхности, заключающейся в ее шлифовании и трав-

лении

специальными реактивами. Шлифованный и протравленный

образец называют

макрошлифом;

если макрошлиф изготовлен в по-

перечном сечении детали, то его иногда называют

темплетом.

На

шлифованной поверхности не должно быть загрязнений, сле-

дов масла и т. п.

2. МАКРОАНАЛИЗ ИЗЛОМА МЕТАЛЛА

Излом

может быть разным по форме, виду и способности к отра-

жению света, следовательно, различаться в зависимости от состава

металла, его строения, отдельных дефектов, условий обработки и

напряженного

состояния, при котором произошло разрушение об-

разца (детали). Поэтому анализ излома позволяет установить мно-

гие особенности строения, а в ряде случаев и причин хрупкого или

вязкого разрушения.

Ниже

указываются более часто наблюдаемые характеристики

излома сталей и чугунов.

По

форме различают излом: 1) ровный, блестящий и 2) с

высту-

пами

или чашечкой. Первый вид излома характерен для хрупкого

состояния,

когда разрушение произошло без видимой пластической

деформации,

а второй — для вязкого (см. гл. VI). Это описание из-

лома может изменяться в зависимости от условий разрушения и

поэтому оно приближенно и в некоторых случаях недостаточно точ-

ное.

Излом, происходящий при кручении, наоборот, ровный и пер-

пендикулярен оси образца у вязкого металла и сложной формы (по

винтовой

линии) у хрупкого.

Анализ

строения

излома более полно характеризует поведе-

ние

металла при разрушении. По этому признаку различают

излом:

зернистый,

или кристаллический (блестящий с фасетками);

он

наблюдается при хрупком разрушении сталей пониженной вяз-

кости

(в том числе закаленных с значительным перегревом) и ста-

лей,

испытанных ниже порога хладноломкости (см. с. 153 и

рис.

93);

Область материаловедения, изучающая излом, называется фрактографией и

рассматривается в специальной литературе.