Лабораторный практикум по дисциплине «Материаловедение» - часть 2

 

  Главная      Учебники - Разные     Лабораторный практикум по дисциплине «Материаловедение»

 

поиск по сайту            правообладателям  

 

 

 

 

 

 

 



 

 

содержание   ..   1  2  3   ..

 

 

Лабораторный практикум по дисциплине «Материаловедение» - часть 2

 

 

18
Дата выполнения работы_____________ Ф.И.О. студента_______________
19
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3
МИКРОАНАЛИЗ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Цель работы: изучить устройство металлографического микроскопа и
овладеть практическими навыками работы на нем; получить практические
навыки проведения микроанализа.
Краткие теоретические сведения
Микроскопический анализ
(микроанализ) металлов и сплавов
заключается в исследовании строения (структуры) металла с помощью
оптического или электронного микроскопа. Строение металла или сплава,
наблюдаемое при помощи микроскопа, называется микроструктурой.
Между микроструктурой металлов и их свойствами существует
четкая связь. Микроанализ позволяет:
- определить форму и размеры зерен;
- определить форму, размеры, содержание и относительное
расположение фаз;
- выявить наличие имеющихся в металле неметаллических включений
и микродефектов (микротрещины и микропоры).
Эта информация позволяет судить о свойствах металлов и сплавов, о
предшествующей обработке этих материалов
(литье, деформирование,
термообработка и др.).
Микроанализу подвергают специально подготовленные образцы,
называемые микрошлифами. Микрошлиф
- это срез металла,
отполированного до состояния зеркальной поверхности.
Микрошлифы готовят следующим образом.
Образец для микроанализа вырезают из того места, которое является
наиболее важным в эксплуатационных условиях исследуемого металла.
Наиболее удобны для работы образцы цилиндрической формы диаметром
10-12 мм и высотой 10-15 мм и прямоугольной формы с площадью
основания 10 х 10 мм и высотой 10-15 мм;
Одну из плоскостей образца зачищают наждачным кругом;
Полученную поверхность шлифуют наждачной бумагой различной
зернистости;
20
Для получения зеркальной поверхности образец полируется на сукне
или фетре, смоченном полирующей смесью;
Полученный микрошлиф промывается водой, а затем спиртом или
бензином и просушивается фильтровальной бумагой.
Микрошлифы исследуются без травления или протравленными. В
нетравленом шлифе можно наблюдать природу и характер расположения
неметаллических включений: оксидов, сульфидов, графита, а также виды
микродефектов - микротрещины, микропоры. Структура и ее особенности
определяются на протравленных шлифах.
При травлении (например для сталей и чугунов раствором азотной
кислоты в этиловом
спирте) различные структуры разъедаются
травлением с разной скоростью, поэтому образуется микрорельеф и его
неровности создают сочетание света и тени: однородные структуры
отражают больше света и видны светлыми, разнородные - темными (т.к.
светлые лучи от них рассеиваются, не попадая в объектив). Максимальная
неоднородность на границах зерен (где скопление примесей и искривлений
кристаллической решетки), поэтому зерна резко очерчены, т.к.
протравливаются сильнее.
Для исследования микроструктуры металлов и сплавов применяют
металлографические микроскопы, которые позволяют рассматривать при
увеличении непрозрачные тела в отраженном свете.
Рисунок 2.1. - Ход лучей в
Рисунок 2.2 - Схема определения
металлографическом микроскопе
цены деления окуляра-микрометра
21
Луч от источника света 6 (рисунок 2.1) преломляется призмой 4 и
попадает через линзу объектива
3 на поверхность микрошлифа
2 и
отражаясь от него опять через линзу объектива 3 через призму 5 в линзу
окуляра 1 на которую обращен глаз исследователя.
Т.е. изображение точки объекта в микроскопе увеличивается дважды:
объектив дает первое
- промежуточное
(Vоб.), окуляр
- второе
окончательное (Vок.). Следовательно общее увеличение микроскопа (Vм.)
будет следующим:
Vм.=Vоб. х Vок.
(2.1)
В современных конструкциях увеличение микроскопа доходит до
2000 раза.
Увеличение микроскопа можно определить при помощи объектив-
микрометра и окуляр-микрометра. Объектив-микрометр представляет
собой стеклянную или металлическую пластинку, на которой нанесена
шкала длиной 1 мм, разделенная на 100 равных делений (цена деления 0,01
мм). Окуляр-микрометр в отличие от обычного окуляра имеет между
линзами стеклянную пластинку со шкалой. Совмещая обе шкалы,
определяют размер шкалы окуляра при данном объективе (рисунок 2.2) по
формуле:
Ц
Т
об
,
(2.2)
Ц
ок
А
где Цоб - цена деления шкалы объектива (0,01 мм); Т - число совмещенных
делений объектива-микрометра; А - число совмещенных делений окуляр-
микрометра.
С помощью окуляр-микрометра можно определить размеры зерен,
протяженность какой-либо резко отличающийся структурной области.
По размерам природных зерен можно довольно точно сказать о
механической прочности исследуемого металла. Чем крупнее зерно, тем
ниже механическая прочность деталей.
Таким образом, работоспособность деталей зависит в первую
очередь от размеров природного зерна.
Величина зерна определяется по шкале стандартных размеров
(рисунок 2.3), где проставлены баллы - размеры зерна.
22
Рисунок 2.3 - Стандартная шкала размеров зерна
Работоспособность
(качество) металла зависит от размеров
природного зерна, а также от вида рабочей нагрузки на деталь (таблица
2.1).
Таблица 2.1 - Качество металла в зависимости от размера зерна и нагрузки
Размер
Средняя
Вид нагрузки
зерна,
площадь
статическая
циклическая
динамическая
балл
зерна, мкм2
1
64000
неуд.
неуд.
неуд.
2
32000
удов.
неуд.
неуд.
3
16000
удов.
неуд.
неуд.
4
8000
удов.
удов.
неуд.
5
4000
качеств.
удов.
удов.
6
2000
высококачеств.
качеств.
удов.
7
1000
высококачеств.
высококачеств.
качеств.
8
500
высококачеств.
высококачеств.
высококачеств.
Порядок выполнения работы
1. Изучить устройство металлографического микроскопа.
2. Изготовить микрошлиф, для чего плоскую поверхность образца
шлифовать на наждачной шкурке, последовательно переходя от одной
шкурки к другой с непрерывно уменьшающимися размерами
23
абразивных частиц; при каждой смене шкурки поворачивать образец на
90
0. После окончания шлифования промыть образец и провести
полирование образца для устранения рисок, оставшихся от воздействия
абразивной шкурки. Протравить подготовленную поверхность
микрошлифа.
3. С помощью объектив-микрометра определить цену деления окуляр-
микрометра.
4. Исследовать микрошлиф на микроскопе для определения балла зерна.
5. Определить качество металла.
Вопросы к зачету
1. Что такое микроанализ?
2. Для чего служит микроанализ?
3. Что такое микрошлиф и как он готовится?
4. Как определяется общее увеличение микроскопа?
5. Как определяется цена деления окуляр-микрометра?
6. Каким образом размер зерна влияет на механическую прочность
металла или сплава?
24
Отчет по лабораторной работе №3
МИКРОАНАЛИЗ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Цель работы _____________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Что такое микроанализ?
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Для чего служит микроанализ?
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
_______________________________________________________________
Что такое микрошлиф и как он готовится?
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Как определяется общее увеличение микроскопа?
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Как определяется цена деления окуляр-микрометра?
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Каким образом размер зерна влияет на механическую прочность металла
или сплава?
25
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Определение цены деления окуляр - микрометра
с помощью объектив - микрометра
Схема определения
Расчетная формула
Результаты измерений
Общее увеличение микроскопа ………………………………….….________
Цена деления окуляр - микрометра ……………………………...…________
Размер балла зерна
…………………………………………………________
Площадь зерна
/ мкм2 / ……………………………………………..________
Вывод __________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Дата выполнения работы_____________ Ф.И.О. студента_______________
26
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА ТВЕРДОСТЬ МЕТОДАМИ
БРИНЕЛЛЯ И РОКВЕЛЛА
Цель работы: практическое изучение методов определения твердости
материалов по методу Бринелля и Роквелла.
Краткие теоретические сведения
Твердость
- это свойство материалов сопротивляться
проникновению в него другого более твердого тела под действием
нагрузки.
Определение
твердости
является
наиболее
широко
распространенным методом испытания материалов, позволяющим в
большинстве случаев без разрушения изделия и изготовления специальных
образцов судить о качестве изделия.
Приборы для испытания на твердость просты, обладают высокой
производительностью, не требуют работников высокой квалификации и
могут использоваться непосредственно на рабочем месте.
Наиболее широко применяются следующие способы измерения
твердости:
- вдавливанием стального шарика (метод Бринелля);
- вдавливанием алмазного конуса (метод Роквелла);
- вдавливанием четырехгранной алмазной пирамиды
(метод
Виккерса);
- вдавливанием четырехгранной алмазной пирамидки под небольшой
нагрузкой
(определение микротвердости методом Хрущова-
Берковича).
Измерение твердости вдавливание стального шарика
(метод Бринелля)
По методу Бринелля твердость металла определяют вдавливанием в
испытуемый образец (изделие) закаленного стального шарика (рисунке
3.1а) диаметром 10; 5 или 2,5 мм под действием заданной нагрузки в
течении определенного времени и выражают числом твердости НВ,
27
полученный путем деления приложенной нагрузки Р в кг на поверхность
образовавшегося на образце отпечатка шарика (шарового сегмента) F в мм:
P
2
P
HB
,
[кг / мм2 ]
(3.1)
F
2
2
 D
(D
D
d
)
где Р - нагрузка в кг; D - диаметр шарика в мм; d - диаметр отпечатка
шарика в мм.
Диаметр шарика, нагрузку и длительность выдержки под нагрузкой
выбирают в зависимости от твердости и толщины образца (таблице 3.1).
Чем тверже металл, тем меньше диаметр отпечатка и тем выше
число твердости по Бринеллю.
Диаметр отпечатка измеряется при помощи специальной лупы,
имеющей шкалу с ценой деления 0,1 мм или 0,05мм (рисунок 3.1б).
а)
б)
Рисунок 3.1 - Схема определения твердости по Бринеллю (а)
и отсчет по шкале (б)
При диаметре шарика
10 мм и нагрузке
3000 кг
твердость
обозначается цифрами перед символом HB, например 250 HB, что означает
твердость по Бринеллю 250 кг /мм2.
Во избежание сложных вычислений числа твердости для каждого
отпечатка на практике используются готовыми таблицами.
Таблица 3.1 - Выбор режимов испытаний на твердость методом Бринелля
Матери-
Интер-
Минималь-
Соотноше-
Диаметр
Нагрузка
Выдерж-
ал
вал
ная
ние между
шарика
Р, кг
ка под
твердо-
толщина
нагрузкой
D, мм
нагру-
сти в
испытуе-
Р и
зкой, сек
28
числах
мого
диаметром
Бри-
образца,
шарика D
нелля
мм
От 6 до 3
10
3000
Черные
140-
От 4 до 2
Р=30D2
5
750
10
металлы
450
Менее 2
2,5
187,5
Более 6
10
1000
Черные
Менее
От 6 до 3
Р=10D2
5
250
10
металлы
140
Менее 3
2,5
62,5
От 6 до 3
10
3000
Цветные
Более
От 4 до 2
Р=30D2
5
750
30
металлы
130
Менее 2
2,5
187,5
0т 9 до 5
10
1000
Цветные
35-130
От 6 до 3
Р=10D2
5
250
30
металлы
Менее3
2,5
62,5
Более 6
10
250
Цветные
8-35
От 6 до 3
Р=2,5D2
5
62,6
60
металлы
Менее3
2,5
15,6
Между числами твердости по Бринеллю и пределом прочности σв
металлов существует следующая приближенная зависимость:
2
 НВ; кг / мм
(3.2)
в
где к - коэффициент, определяемый по таблице (3.2).
Таблица 3.2 - Выбор значения коэффициента к в зависимости от
вида испытуемого материала
Сталь легированная
0,34
Дуралюминий
0,37
Сталь углеродистая
0,36
Медь холоднокатаная
0,35
Алюминий отожженный
0,4
Медь отожженная
0,48
Наиболее распространенными стандартными условиями при испытании
твердости являются: нагрузка 3000 кг, диаметр шарика 10 мм и длительность выдержки
10 сек.
29
а)
б)
Рисунок 3.2 - Прибор типа ТШ с механическим приводом:
а - общий вид; б - кинематическая схема
Для определения твердости по Бринеллю используются твердомером
типа ТШ (рисунок 3.2).
Прибор имеет станину 1, в нижней части которой помещен винт 2 со
сменными столиками 4 для испытуемых образцов. Перемещения винта
осуществляется вручную маховиком 3. В верхней части станины находится
шпиндель 6 со сменными наконечниками, в которые вставляются шарики
5. Основная нагрузка прикладывается к образцу посредством рычажной
системы. На длинном плече основного рычага 7 имеется подвеска 8 с
грузами 9. Комбинацией грузов можно осуществить нагрузки 187,5; 250;
750;
1000 и 3000 кг. Нагрузка прилагается автоматически с помощью
электродвигателя
11, находящегося внутри станины, при нажатии
пусковой кнопки. Для установки продолжительности испытания служит
передвижной упор переключателя
10, устанавливающийся до начала
испытания в положение, соответствуующее требуемой выдержке (10, 30
или 60 сек).
Недостатки метода Бринелля:
- невозможность испытания материалов, имеющих твердость более
450 НВ, так как шарик будет деформироваться и показания будут
неточными;
30
- невозможность испытания твердости тонкого поверхностного слоя и
пластин (менее 1-2 мм), так как шарик будет продавливать тонкий
слой материала;
- после испытания остаются заметные следы на поверхности изделия.
Измерение твердости вдавливанием алмазного конуса или стального
шарика (метод Роквелла)
По методу Роквелла твердость металлов определяют вдавливанием в
испытуемый образец (изделие) стального шарика диаметром 1,588 мм при
нагрузке 100 кг или алмазного конуса с углом при вершине 1200 при
нагрузке
60 или
150 кг. Схема определения твердости по Роквеллу
приведена на рисунке 3.3.
При испытании сначала прикладывают предварительную нагрузку
Р0, равную 10 кг, а затем нормальную Р, равную 60, 100 или 150 кг (ГОСТ
9013-59). Разность глубин проникновения шарика или алмаза под
нагрузками Р0 и Р
(h-h0) характеризует твердость. Чем меньше эта
разность, тем тверже испытуемый материал, и, наоборот, чем больше эта
разность, тем мягче материал.
Числа твердости по Роквеллу обозначают HR и вычисляют по
формуле.
К
(h h
)
0
HR
,
(3.3)
C
где h0
- глубина внедрения в мм наконечника под действием
предварительной нагрузки Р0; h - глубина внедрения наконечника под действием
общей нагрузки; К - постоянная величина; для шарика К=0,26 и для конуса К=0,2; С -
цена деления циферблата индикатора прибора, соответствующая углублению
наконечника на 0,002 мм.
31
Рисунок 3.3. - Схема определения твердости
Рисунок 3.4. - Циферблат
по Роквеллу:
индикаторного прибора
1 - углубление конуса под предварительной
нагрузкой Р0;
2 - углубление конуса под общей нагрузкой
Р, которая равна Р01;
3 - глубина внедрения конуса под действием
нагрузки Р0
Таким образом, твердость по Роквеллу выражается в условных
единицах.
На практике числа твердости по Роквеллу обычно не вычисляют по
приведенной выше формуле, а отсчитывают по шкале индикатора прибора
типа ТК непосредственно в процессе испытания (рисунок 3.4).
Нулевое деление черной шкалы совпадает с начальным положением
стрелки. Красная шкала смещена относительно нулевого деления черной
шкалы на 30 делений в направлении, противоположном движению стрелки
индикатора при внедрении наконечником. Следовательно, начальное
деление красной шкалы совпадает с делением
30 на циферблате
индикатора. Это смещение сделано по той причине, что глубина
вдавливания шарика часто превышает
0,2 мм, и тогда стрелка при
вдавливании делала бы поворот более чем на 100 делений, т.е. значение
твердости могли бы получаться отрицательными. Большая стрелка служит
для указания твердости, а малая
- для контроля величины
предварительного нагружения.
Твердость на приборе ТК можно измерить:
32
-
Алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кг (предварительная - 10
кг и основная 140 кг). Значение твердости определяют по черной
шкале С и обозначают НRC. Эта шкала применяется для испытания
закаленных сталей, обладающих твердостью до
67HRC , и для
определения твердости тонких поверхностных слоев толщиной более
0,5 мм;
-
Алмазным конусом с общей нагрузкой 60 кг (предварительная - 10
кг и основная 50 кг). Значение твердости определяют по черной
шкале С и обозначают HRA. Эта шкала применяется для испытания
сверхтвердых сплавов
(например, карбидов вольфрама), тонкого
листового материала и для измерения твердости тонких
поверхностных слоев (0,3-0,5 мм) или тонких пластинок;
-
Стальным шариком
1/16 дюйма с общей нагрузкой
100 кг
(предварительная - 10 кг и основная 90 кг). Значение твердости
определяют по красной шкале В и обозначают HRB. Шкала В
служит для испытаний металлов средней твердости и для испытаний
изделий толщиной от 0,8 до 2 мм.
На основании опытных работ установлена связь между числами
твердости по Роквеллу (при HRC>20) и по Бринеллю
НВ≈10·HRC
(3.4)
К достоинствам метода Роквелла следует отнести высокую
производительность, простоту обслуживания, точность измерения и
сохранение качественной поверхности после испытаний. Не
рекомендуется применять этот метод для определения твердости
неоднородных по структуре сплавов
(чугуна), для испытания
криволинейных поверхностей с радиусом кривизны менее 5 мм и для
испытания деталей которые под действием нагрузки могут
деформироваться.
Порядок выполнения работы
Измерение твердости методом Бринелля
1. Изучить работу твердомера типа ТШ.
33
2.
Подготовить образцы к испытанию (поверхность образца должна быть
плоской и чистой от загрязнений и окалины. Толщина образца - не
менее десятикратной глубины отпечатка).
3.
Выбрать в зависимости от заданных условий испытания и типа образца
диаметр шарика, нагрузку и время выдержки под нагрузкой.
4.
Закрепить шариковый наконечник в шпинделе установочным винтом.
5.
Поместить на подвеску требуемое для испытания количество сменных
грузов.
6.
Установить упор на нужную продолжительность выдержки и закрепить
стопорным винтом.
7.
Установить на столик
(испытания круглых образцов производят с
помощью специальной подставки) испытуемый образец и вращением
маховика поднять его к шариковому наконечнику, оказывая
предварительную нагрузку на образец порядка 100 кг. Нагрузка должна
быть приложена в направлении, перпендикулярном к плоскости
образца. Центр отпечатка должен находиться от края образца на
расстоянии не менее диаметра шарика, а от центра соседнего отпечатка
- на расстоянии не менее двух диаметров шарика.
8.
Нажать на пусковую кнопку, приводя в движение электродвигатель и
передать нагрузку на образец.
9.
После окончания испытания опустить столик, снять образец и измерить
диаметр отпечатка в двух взаимно перпендикулярных направлениях
при помощи лупы. Диаметр отпечатка измеряют с точностью до 0,05 мм
при испытании шариком диаметром 10 и 5 мм и с точностью до 0,01 мм
при испытании шариком диаметром 2,5 мм.
10.По величине диаметра отпечатка рассчитать число твердости НВ.
11.Повторить эксперимент 3 раза.
12.Определить среднее число твердости НВ.
13.По полученным числам твердости определить величины предела
прочности, пользуясь имеющимися соотношениями между НВ и σв.
14.Результаты испытаний внести в протокол.
Протокол испытания на твердость по методу Бринеля.
34
Материал
Среднее
и
Диаметр
Диаметр
Число
Предел
Нагрузка
число
толщина
шарика
отпечатка
твердости
прочности
исп
Р, кг
твердости
образца,
D, мм
d, мм
НВ
σв, кг/мм2
НВ
мм
1.
2.
3.
Измерение твердости методом Роквелла
1.
Изучить работу твердомера типа ТК.
2.
Подготовить образцы к испытанию (поверхность образца должна быть
плоской и чистой от загрязнений и окалины. Толщина образца - не
менее восьмикратной глубины отпечатка).
3.
Выбрать в зависимости от заданных условий испытания и типа образца
наконечник.
4.
Закрепить наконечник в шпинделе установочным винтом.
5.
Подобрать грузы соответственно выбранному наконечнику и
применительно к шкале, по которой предполагается вести испытания и
подвесить их.
6.
Установить на столик
(испытания круглых образцов производят с
помощью специальной подставки) испытуемый образец и вращением
маховика поднять его до соприкосновения с наконечником, а затем
дальнейшим вращением маховика произвести предварительное
нагружение до тех пор, пока малая стрелка индикатора не совпадет с
красной точкой на шкале, а большая стрелка не примет вертикальное
положение. Если малая стрелка индикатора перейдет за красную точку,
то необходимо выбрать на испытуемой поверхности другую точку и
испытание начать сначала; затем повернуть ободок индикатора до
совпадения нуля черной шкалы с большой стрелкой.
7.
Привести в движение механизм основного нагружения. В это время
большая стрелка поворачивается против часовой стрелки и принимает
некоторое положение. После секундной выдержки снять основную
нагрузку возвращением рукоятки в начальное положение (притягивают

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..   1  2  3   ..