6 практических по материаловедению

ОЗНАКОМЛЕНИЕ С МЕТАЛЛАМИ, СПЛАВАМИ, НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ МАТЕРИАЛАМИ И СОСТАВЛЕНИЕ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК
Цель работы: ознакомление с основными видами металлов и сплавов, их физико-механическими свойствами и областью применения; изучение общей терминологии, принятой действующими стандартами на металлы и сплавы.
Задание
1. Рассмотреть образцы металлов и сплавов, изучить их свойства и определить область применения.
2. Результаты изучения и наблюдения свойств и внешних признаков образцов записать в таблице 1.
3. Составить схему классификации сталей.

4. Переписать контрольные вопросы и подготовить ответы на них к защите практической работы.


Таблица 1
№ обр. Название материала образца Цвет и другие внешние признаки Плотность, г/см3 Температура плавления Механические и др. свойства Применение
1 Чугун Серый цвет излома 7,7—7,9 1150-1200 Твердые, слабопластичные Литые изделия и передел в сталь
2 Нержавеющая сталь Блестящий белый цвет 7,2-7,7 1400-1450 Прочность, пластичность, коррозионная стойкость Основной конструкционный материал, детали машин, инструменты и тд
3 Латунь от светло-желтых к красным оттенкам 8,3-8,7 880-950 Твердый, коррозионно-стойкий сплав Химическая промышленность, производство бытовых товаров
4 Мельхиор Серый цвет излома 8,9 1170 Коррозионно-стойкий сплав Бытовая посуда, медицинская техника, монеты
5 Силумин Светло серый цвет 3 580 Прочность, легкость, хорошие литейные свойства Авиастроение, машиностроение, приборостроение

5. Сделать вывод.
В процессе выполнения работы я ознакомился с основными видами металлов и сплавов, их физико-механическими свойствами и областью применения – данные о которых были занесены в таблицу 1; также была изучена общая терминология, принятой действующими стандартами на металлы и сплавы.
Контрольные вопросы
1. Какие металлы и сплавы относятся к черным?
Металлы разделяются на цветные и черные. Черные металлы, по сути – это железо, имеющее в себе различное количество углерода, а также отличающиеся кристаллической решетки. К черным металлам относят стали и чугуны, которые в свою очередь имеют достаточно большое количество основных классов. При производстве чугунов и сталей различных типов, используют именно черные металлы, добываемые из металлических руд. В экономике металлов черные металлы составляют более 90%, а это указывает на их широкое распространение. От процентного содержания углерода зависит, какие свойства приобретет материал — чугунов или сталей. Для повышения качества черного металла, используются легирующие добавки (другие металлы и сплавы, а также химические элементы), которые улучшают свойства сплавов и придают им нужный оттенок характеристик в зависимости от его применения. Распространенными легирующими добавками являются:
медь;
кремний;
хром;
никель.
Классификация черных металлов
В большинстве случаев, классификация черных металлов построена на основании разделения элементов по их химическому составу и свойствам. Содержание легирующих элементов определяет железо и его сплав. В свою очередь, определенное процентное содержание углерода в сплаве указывает что это — чугун или сталь. Так чугуны содержат более 1,7% углерода, а стали от 0,2 до 1,7% углерода. Классификация черных металлов подразумевает разделение на следующие классы:
железные металлы;
тугоплавкие;
урановые;
щелочноземельные;
редкоземельные.
Также классификация черных металлов подразумевает отделение сталей, легированных и нелегированных, которые еще называют углеродистыми. К углеродистым сталям относятся стали, в которых углерод является основным компонентом, при этом примеси на свойства металла не оказывают особого значения. Легированные имеют в наличие один или несколько легируемых элементов, которые оказывают огромное влияние на свойства стали. /Легированные стали очень широко применяется для изготовления ответственных деталей, несущих большую нагрузку, испытывающих разный температурный режим, сильное фрикционное воздействие. Применение такой стали распространенно в машиностроении, тракторостроении, тяжелой промышленности и в других областях.
2. На какие группы подразделяется сталь по химическому составу?
По химическому составу сталь подразделяют на углеродистую и легированную. Углеродистые стали разделяют по содержанию углерода на:
· малоуглеродистые: менее 0,3 % углерода;
· среднеуглеродистые: 0,3-0,7 % углерода;
· -высокоуглеродистые: более 0,7 % углерода.
Легированные стали разделяют по общему содержанию легирующих элементов на:
· низколегированные: менее 2,5 %;
· среднелегированные: 2,5-10,0 %;
· высокоуглеродистые: более 10,0%.
Классификация стали по способу производства и качеству (содержанию вредных примесей) К вредным примесям в сталях относят серу S и фосфор P.
В зависимости от их содержания стали разделяют на:
· стали обыкновенного качества (рядовые): до 0,06% S, до 0,07% P;
· качественные стали: до 0,04% S, до 0,035% P;
· высококачественные стали: до 0,025% S, до 0,025% P;
· особовысококачественные стали: до 0,015% S, до 0,025% P.
Сталь обыкновенного качества (или рядовая сталь) выплавляется чаще всего в больших мартеновских печах, конвертерах и разливается в сравнительно крупные слитки Способ изготовления во многом предопределяет состав, строение и свойства этой стали. Стали высококачественные выплавляются преимущественно в электропечах, Классификация стали по назначению
Конструкционные стали принято делить на строительные, для холодной штамповки, цементируемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, автоматные, коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие стали.
К строительным сталям относятся углеродистые стали обыкновенного качества, а также низколегированные стали. Основное требование к строительным сталям - их хорошая свариваемость.
Для холодной штамповки применяют листовой прокат из низкоуглеродистых качественных
Цементируемые стали применяют для изготовления деталей, работающих в условиях поверхностного износа и испытывающих при этом динамические нагрузки.
Высокопрочные стали - это стали, у которых подбором химического состава и термической обработкой достигается предел прочности примерно вдвое больший, чем у обычных конструкционных сталей. Такой уровень прочности можно получить в среднеуглеродистых легированных сталях
Пружинные (рессорно-пружинные) стали сохраняют в течение длительного времени упругие свойства, поскольку имеют высокий предел упругости, высокое сопротивление разрушению и усталости. К пружинным относятся углеродистые стали (65, 70) и стали, легированные элементами, которые повышают предел упругости - кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом, ванадием.
Подшипниковые (шарикоподшипниковые) стали имеют высокую прочность, износоустойчивость, выносливость. К подшипниковым предъявляют повышенные требования на отсутствие различных включений, макро- и микропористости. Обычно шарикоподшипниковые стали характеризуются высоким содержанием углерода (около 1%) и наличием хрома.
Износостойкие стали применяют для деталей, работающих в условиях абразивного трения, высокого давления и ударов (крестовины железнодорожных путей, траки гусеничных машин, щеки дробилок, черпаки землеройных машин, ковши экскаваторов и др.).
Коррозионностойкие стали и сплавы классифицируют в зависимости от агрессивности среды, в которой они используются, и по их основному потребительскому свойству на собственно коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные
Изделия из собственно коррозионностойких сталей (лопатки турбин, клапаны гидравлических прессов, пружины, карбюраторные иглы, диски, валы, трубы и др.) работают при температуре эксплуатации до 550°С.
Жаропрочные стали способны работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и при этом обладают достаточной жаростойкостью. Данные стали и сплавы применяются для изготовления труб, клапанных, паро- и газотурбинных деталей (роторы, лопатки, диски и др.).
Жаростойкие (окалиностойкие) стали обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах, в том числе серосодержащих, при температурах +550-1200°С в воздухе, печных газах.
Инструментальные стали по назначению делят на стали для режущих, измерительных инструментов, штамповые стали.
Стали для режущих инструментов должны быть способными сохранять высокую твердость и режущую способность продолжительное время, том числе и при нагреве. В качестве сталей для режущих инструментов применяют углеродистые, легированные инструментальные, быстрорежущие стали.
Штамповые стали обладают высокой твердостью и износостойкостью, прокаливаемостью и теплостойкостью.
3. Назовите группу сталей и сплавов с особыми физико-химическими свойствами.
К сталям и сплавам с особыми физико-химическими свойствами относятся: нержавеющая сталь, сталь и сплавы для работы при высоких температурах (жаропрочные и жаростойкие сплавы), износостойкие, электротехнические, с особыми тепловыми свойствами.
4. Перечислите цветные металлы, получившие широкое распространение в технике, и дайте краткую характеристику каждому из них.
Цветные металлы — особый класс нержавеющих металлов и сплавов, в составе которых нет железа. Сюда входят олово, медь, цинк, никель, серебро, золото. Металлы называются цветными, потому что каждый из них имеет определенный окрас. Они отличаются прочностью и долговечностью, поскольку формируют на своей поверхности защитную оксидную пленку и проявляют устойчивость к негативным факторам внешней среды.
Свойства:
Цветные металлы обладают высокой тепло– и электропроводностью, коррозионной стойкостью, стабильностью в температурном диапазоне и инертностью к воздействию агрессивной среды. В отличие от железа, они не реагируют на влагу и кислород, растворяют газы при нагревании (кроме интертных) и с легкостью взаимодействуют с ними.
Группы: ученые подразделяют цветные металлы на несколько групп:
Тяжелые. Олово, медь, никель, цинк, свинец и т.п. Добываются из сульфидных и окисленных полиметаллических руд. Мировое производство металлов данной категории достигает нескольких миллионов тонн в год.
Легкие. Алюминий, титан, магний, натрий, калий, кальций, бериллий, стронций, барий и другие элементы этой группы имеют самую низкую удельную массу среди остальных нежелезных металлов.
Благородные. Золото, серебро, платина, рутений, родий, палладий, осмий и иридий входят в число редких драгоценных металлов и отличаются повышенной стойкостью к окислению и коррозии.
Малые. Представители группы — ртуть, кобальт, мышьяк, сурьма, висмут и т.п. Добываются в небольшом количестве вместе с тяжелыми металлами.
Тугоплавкие. Известны как самые износостойкие металлы. К ним относится цирконий, ванадий, хром, вольфрам, молибден и другие элементы с высокой плотностью и температурой плавления.
Редкоземельные. Представлены 17 металлами серебристо–белого цвета: гольмий, тулий, скандий, самарий, европий, диспрозий, лютеций, прометий и т.д. Обладают одинаковыми химическими свойствами.
Рассеянные. Рубидий, таллий, галлий, индий, скандий, германий, рений, гафний, селен и т.п. В виде отдельных элементов в природе не встречаются. Добываются из полезных ископаемых и руд других металлов.
Радиоактивные. Уран, торий, протактиний, радий, актиний, нептуний, плутоний, америций, калифорний, эйнштейний, фермий, менделевий и другие элементы, полученные в результате ядерных реакций. Такие металлы испускают нейтроны, протоны, альфа– и бетачастицы или гамма–кванты.
5. Охарактеризуйте состав, свойства и области применения латуней и бронз.
Латунь – это сплав меди с цинком, содержащий до 45% цинка. Латуни бывают простые – сплав только меди и цинка, а также специальные, в состав которых входят олово, свинец, никель, марганец и другие элементы для придания сплавам высоких коррозионных свойств, хорошей обрабатываемости резанием, повышенной твердости и прочности.
Простые латуни маркируют буквой Л и двухзначными цифрами, указывающими процент содержания меди. В специальных латунях за буквой Л следуют буквенное обозначение основных легирующих элементов и цифры, соответствующие содержанию меди и этих элементов. Легирующие элементы в латунях и бронзах обозначают буквами русского алфавита: О - олово, С - свинец, Ф - фосфор, Н - никель, Мц - мар¬ганец; Ж -железо, К -кремний, А - алюминий, Ц – цинк, Б – бериллий, Мш - мышьяк и т. д. Например, марка Л90 обозначает латунь с содержанием 90% Сu, остальные 10% -Zn; марка ЛС59-1 содержит 59% Сu, 1% РЬ и остальное - цинк.
Область применения латуней:
-ЛС59-1, ЛС74-3, ЛС64-2 – детали, получаемые горячей штамповкой с последующей обработкой резанием;
-ЛО70-1 и ЛО62-1 - детали в морском судостроении;
- ЛН65-5 - вкладышей подшипников;
- ЛА67-2.5, ЛАЖ60-1-2, ЛКС80-3-3 - литые вкладышей подшипников, втулки
Бронза - это сплав меди с оловом, свинцом, никелем, в том числе и с цинком.
Бронзы обладают высокими механическими и анти¬фрикционными свойствами, коррозионной устойчиво¬стью, хорошими литейными свойствами и обрабатывае¬мостью резанием. Маркируют бронзы буквами Бр, следующие буквы указывают на элементы, входящие в состав бронзы, а цифры показывают процентное содержание данных эле¬ментов. Например, деформируемые бронзы маркируются: марка Бр. ОФ4-0,25 обозначает оловянную бронзу, со¬держащую 4% Sn, 0,25% РЬ и остальное — медь.
Область применения бронз:
-Бр. А5, Бр. А7, Бр. АЖ 9-4, Бр. АЖН 10-4-4, Бр. АЖМц 10-3-1,5 - втулки, фланцы, шестерни, рабо¬тающие при температурах 400...500 °С;
-Бр.КН1-3, Бр.КМц 3-1 - пружины и пру¬жинящие детали, работающие при температурах до 250 °С;
- Бр.Б2 - мем¬браны, пружины;
-Бр.С30 вкладыши подшип¬ников скольжения.
6. Что представляют собой пластмассы, какими характерными свойствами они обладают и каково их значение в современной технике?
Пластмассы (пластики) представляют собой органические материалы на основе полимеров, способные при нагреве размягчаться и под давлением принимать определённую устойчивую форму.
Полимеры – это соединения, которые получаются путем многократного повторения, то есть химического связывания одинаковых звеньев – в самом простом случае, одинаковых, как в случае полиэтилена это звенья CH2, связанные между собой в единую цепочку. Конечно, существуют более сложные молекулы, вплоть до молекул ДНК, структура которых не повторяется, очень сложным образом организована.
1. Компоненты, входящие в состав пластмасс
В большинстве своем пластмассы состоят из смолы, а также наполнителя, пластификатора, стабилизатора, красителя и других добавок, улучшающих технологические и эксплуатационные свойства пластмассы. Свойства полимеров могут быть в значительной степени улучшены и изменены, в зависимости от требований, предъявляемых различными отраслями техники, с помощью различных составляющих пластмассы.
Наполнители служат для улучшения физико-механических, диэлектрических, фрикционных или антифрикционных свойств, повышения теплостойкости, уменьшения усадки, а также для снижения стоимости пластмасс. По массе содержание наполнителей в пластмассах составляет от 40 до 70 %. Наполнителями могут быть ткани, а также порошкообразные и волокнистые вещества.
Пластификаторы увеличивают пластичность и текучесть пластмасс, улучшают морозостойкость. В качестве пластификаторов применяют дибутилфталат, трикрезилфосфат и др. Их содержание колеблется в пределах 10 – 20 %.
Стабилизаторы – вещества, предотвращающие разложение полимерных материалов во время их переработки и эксплуатации под воздействием света, влажности, повышенных температур и других факторов. Для стабилизации используют ароматические амины, фенолы, сернистые соединения, газовую сажу.
Красители добавляют для окрашивания пластических масс. Применяют как минеральные красители (мумия, охра, умбра, литопон, крон и т. д.), так и органические (нигрозин, родамин).
Смазочные вещества – стеарин, олеиновая кислота, трансформаторное масло – снижают вязкость композиции и предотвращают прилипание материала к стенкам пресс-формы.
2. Классификация пластмасс
В зависимости от поведения связующего вещества при нагреве пластмассы разделяют на термореактивные и термопластичные.
Термореактивные пластмассы при нагреве до определенной температуры размягчаются и частично плавятся, а затем в результате химической реакции переходят в твердое, неплавкое и нерастворимое состояние. Термореактивные пластмассы необратимы: отходы в виде грата и бракованные детали обычно используют после измельчения только в качестве наполнителя при производстве пресспорошков.
Термопластичные пластмассы при нагреве размягчаются или плавятся, а при охлаждении твердеют. Термопластичные пластмассы обратимы, но после повторной переработки пластмасс в детали физико-механические свойства их несколько ухудшаются.
К группе термореактивных пластмасс относятся пресспорошки, волокниты и слоистые пластики. Они выгодно отличаются от термопластичных пластмасс отсутствием хладотекучести под нагрузкой, более высокой теплостойкостью, малым изменением свойств в процессе эксплуатации. Термореактивные пластмассы перерабатывают в детали (изделия) преимущественно методом прессования или литьё под давлением.
Технология изготовления термопластов довольно проста: гранулы засыпаются в камеру термопластавтомата, где, при необходимой температуре, переходят в текучее состояние, затем расплавленная масса попадает в специальную форму, где происходит прессование и дальнейшее охлаждение. Как правило, большинство термопластов может быть использовано вторично.
Выбор пластмассы для изготовления конкретного изделия определяется его эксплуатационными условиями. Критерии выбора разнообразны и зависят от назначения изделия. Основными критериальными характеристиками полимерных материалов являются механические (прочность, жесткость, твердость), температурные (изменения механических и деформационных характеристик при нагревании или охлаждении) и электрические. Последние отражают широкое применение пластмасс в радиоэлектронной и электротехнической отраслях. Кроме того, существенное значение приобрели триботехнические характеристики и ряд специальных свойств (огнестойкость, звукопоглощение, оптические особенности, химическая стойкость). Немаловажны также экономические условия (стоимость полимерного материала, тираж изделия, условия производства).
3. Механические свойства пластмасс
Механические свойства определяют поведение физического тела под действием приложенного к нему усилия. Численно это поведение оценивается прочностью и деформативностью. Прочность характеризует сопротивляемость разрушению, а деформативность — изменение размеров полимерного тела, вызванное приложенной к нему нагрузкой. Поскольку и прочность, и деформация являются функцией одной независимой переменной — внешнего усилия, то механические свойства еще называют деформационнопрочностными.
Модуль упругости является интегральной характеристикой, дающей представление прежде всего о жесткости конструкционного материала. Ударная вязкость характеризует способность материалов сопротивляться нагрузкам, приложенным с большой скоростью. В практике оценки свойств пластмасс наибольшее применение нашло испытание поперечным ударом, реализуемым на маятниковых копрах.
Твердость определяет механические свойства поверхности и является одной из дополнительных характеристик полимерных материалов. По твердости оценивают возможные пути эффективного применения пластиков. Пластмассы мягкие, эластичные, имеющие низкую твердость, используются в качестве герметизирующих, уплотнительных и прокладочных материалов. Твердые и прочные могут применяться в производстве деталей конструкционного назначения: зубчатых колес и венцов, тяжело нагруженных подшипников, деталей резьбовых соединений и пр.
 
Практическая работа 2
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ПРИ НОРМАЛЬНЫХ
ТЕМПЕРАТУРАХ
Цель работы: изучить механические свойства материалов, определить параметры упругих, пластических и прочностных свойств материалов.
Задание
1. Переписать расчетные формулы 1-10 с обозначениями.
В соответствии с данными таблицей 1:
2. Определить E, ὐ и G - параметры упругих свойств материала.
3. Определить δ и ѱ - параметры пластических свойств материала.
4. По заданной диаграмме рис. 2. определить σПЦ, σВ, σТ (или σ0,2) - параметры прочностных свойств материала (для диаграммы с выраженной площадкой текучести найти σТ, если площадка текучести отсутствует - оценить величину σ0,2).
5. Определить G, исходя из данных, полученных в эксперименте на кручение образца.

Рисунок 1 – Пример диаграммы растяжения

Исходные данные примера представлены в таблице 2
Номер строки l0 , мм A 0 , мм2 F, Н ∆l·10-3 мм Ak , мм2 lk , мм έ, % ε, % M , Н м φ рад d , мм Диаграмм а
5 40 30 190 1,6 24 50 0,05 -0,4 30 0,02 16 V
А Б В

1. Находим упругие и пластические параметры материала, используя данные, относящиеся к продольному растяжению (столбцы А, и Б):
- модуль упругости при растяжении (сжатии) находим по формуле:
= (190*40*10-3)/(1,6*10-6 * 30*10-6) = 158,33ГПа
- коэффициент Пуассона находим по формуле:
=|0,05/0,4| = 0,125
Полагая материал изотропным, модуль сдвига найдем через модуль упругости E и коэффициент Пуассона ὐ по формуле
=158,33*109/2(1+0,125) = 70,4 ГПа
Находим относительное остаточное удлинение, используя формулу:
=50-40/40*100% = 25%
- относительное остаточное сужение, используя формулу:
= 30-24/30*100% = 20%

2. Параметры прочностных свойств материала находим по диаграмме растяжения, изображенной на рис. 2, (для материала, имеющего явно выраженную площадку текучести необходимо найти не σ0,2, а σT).
Проследим особенности кривой на диаграмме, начиная с момента нагружения недеформированного образца (точка с координатами 0; 0). На некотором участке (до точки с координатами 350; 2,5) график прямолинеен, далее он искривляется. Это означает, что при дальнейшем нагружении материал уже не следует закону Гука, поэтому принимаем значение предела пропорциональности σпц = 350 МПа.
Поскольку на диаграмме нет явно выраженной площадки текучести, оценим условный предел текучести σ0,2. Масштаб диаграммы не позволяет точно найти σ0,2, поэтому установим пределы, в которых заключена искомая величина: σпц< σ0,2< σ1,0, то есть 350 МПа < σ0,2< 500 МПа, где σ1,0 =500 МПа – напряжение, которому соответствует остаточная деформация равная 1,0 % (см. диаграмму). Можно уточнить величину σ0,2, полагая, что кривую на участке от σпц до σ1,0 можно заменить отрезком прямой. При этом предположении приблизительное значение условного предела текучести можно получить при помощи формулы:
=350 + (500 - 350) * 0,2/1,0 = 220МПа
Прослеживая характер кривой при возрастании нагрузки, доходим до точки с координатами (20; 480). Это точка экстремума на кривой диаграммы, поэтому значение предела прочности (временного сопротивления) принимаем равным σВ = 480МПа.
3. По формуле (3) подсчитаем модуль упругости при сдвиге для материала 3, используя данные, относящиеся к кручению круглого образца. (столбец В и l 0 из столбца А).
= (30 * 40*10-3) / 0,02 * 0,1 (15*10-3)4 = 40 ГПа 
Практическая работа 3
МАКРОСКОПИЧЕСКИЙ И МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Цель работы: Ознакомиться с макроскопическим и микроскопическим методами исследования, изучить процесс приготовления макро- и микрошлифов.
Задание:
Письменно ответить на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы:
1. Дать определение макроанализу.
Макроскопический анализ (макроанализ) заключается в изучении строения сплавов невооруженным глазом или с помощью небольших увеличений (до 30 раз) с помощью лупы. Строение металлов и сплавов, определяемое этим методом, называется макроструктурой.
Макроскопический анализ позволяет установить: строение образца или изделия «в целом» – например наличие крупных пор или трещин, усадочных раковин; неоднородность образца, созданную сваркой, литьем, пластической деформацией; характер излома.
2. Описать виды макроанализа.
Макроанализ по виду излома. Непосредственно по виду излома можно установить характер разрушения металлического изделия, которое может быть хрупким, вязким или усталостным.
Хрупкий излом имеет кристаллическое строение. Обычно в хрупком изломе можно видеть форму и размер зерен металла, так как излом происходит без значительной пластической деформации и зерна при разрушении металла не искажаются.
При этом излом может проходить как по границам зерен (межкристаллический), так и по зернам металла (транскристаллический).
Хрупкий излом иногда называется нафталинистым. В этом случае разрушение обычно носит транскристаллический характер, излом обладает избирательным блеском в связи с упорядоченным кристаллическим строением отдельных областей поверхности образца.
Хрупкий излом может называться камневидным, в этом случае разрушение обычно бывает полностью или частично межкристаллическим, а металл имеет крупнозернистое строение.
Хрупкий излом называют дендритным, если разрушение литого металла проходит по границам сопряженных дендритных кристаллов.
Вязкий излом имеет волокнистое строение