Быконя Л.А. Материаловедение
Подождите немного. Документ загружается.
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Учебная программа дисциплины «Машиностроение»
Учебное пособие
Лабораторный практикум «Структура железоуглеродистых
и цветных сплавов»
Методические указания по практическим занятиям
Методические указания по самостоятельной работе
Банк тестовых заданий в системе UniTest
Учебная программа дисциплины «Горное дело»
Учебная программа дисциплины «Металлургия»
Лабораторный практикум «Материаловедение»
Красноярск
ИПК СФУ
2008
Электронный
учебно-методический комплекс
УДК 620.22
ББК 30.3
М34
Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Материаловедение» подготовлен в
рамках инновационной образовательной программы «Материаловедческое образование при подготовке
бакалавров, инженеров и магистров по укрупненной группе образовательных направлений и
специальностей «Материаловедение, металлургия и машиностроение» в СФУ», реализованной в ФГОУ
ВПО СФУ в 2007 г.
Рецензенты:
Красноярский краевой фонд науки;
Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов дисциплин
М34 Материаловедение. Версия 1.0 [Электронный ресурс] : лаб. практикум /
Л. А. Быконя, Е. А. Астафьева, Ю. П. Королева, О. Ю. Фоменко. – Электрон. дан.
(10 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, 2008. – (Материаловедение : УМКД № 12-2007 /
рук. творч. коллектива Л. С. Цурган, Л. А. Быконя, Т. А. Орелкина). – 1 электрон. опт.
диск (DVD). – Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор других
производителей) 1 ГГц ; 512 Мб оперативной памяти ; 10 Мб свободного дискового
пространства ; привод DVD ; операционная система Microsoft Windows 2000 SP 4 /
XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Adobe Reader 7.0 (или аналогичный продукт для чтения
файлов формата pdf).
ISBN 978-5-7638-1039-4 (комплекса)
ISBN 978-5-7638-1410-1 (лабораторного практикума)
Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320802377 от 27.11.2008 г.
(комплекса)
Настоящее издание является частью учебно-методического комплекса по дисциплине
«Материаловедение», включающего учебные программы по направлениям «Металлургия»,
«Машиностроение», «Горное дело» и «Технология геологической разведки», учебное пособие,
практикум «Материаловедение. Металлические материалы», лабораторный практикум «Структура
железоуглеродистых и цветных сплавов», методические указания к практическим занятиям
«Механические свойства сплавов и фазовые превращения», методические указания по самостоятельной
работе, контрольно-измерительные материалы «Материаловедение. Банк тестовых заданий», наглядное
пособие «Материаловедение. Презентационные материалы».
Приведено описание лабораторных работ по основным разделам курса, даны рекомендации по их
выполнению.
Предназначен для студентов направления подготовки бакалавров 150300.62 «Машиностроение»
укрупненной группы 150000 «Материаловедение, металлургия и машиностроение».
© Сибирский федеральный университет, 2008
Рекомендовано Инновационно-методическим управлением СФУ
в качестве учебного пособия
Редактор И. Н. Байкина
Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр технологий электронного обучения
информационно-аналитического департамента СФУ; лаборатория по разработке мультимедийных электронных
образовательных ресурсов при КрЦНИТ
Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного продукта запрещается. Встречающиеся названия
программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрированными товарными знаками тех или иных фирм.
Подп. к использованию 01.09.2008
Объем 10 Мб
Красноярск: СФУ, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79
Материаловедение. Лаб. практикум -3-
О
О
г
г
л
л
а
а
в
в
л
л
е
е
н
н
и
и
е
е
Ведение ..................................................................... 7
Лабораторная работа 1 Макроскопический
анализ (макроанализ) .............................................. 8
Цель работы ..................................................................................................................... 8
Приборы, материалы и инструмент ............................................................................ 8
Краткие теоретические сведения ................................................................................. 8
Приготовление макрошлифа ......................................................................................... 8
Выявление неоднородности распределения (ликвации) серы и фосфора ............. 9
Выявление дефектов, нарушающих сплошность металла ...................................... 11
Выявление строения литой стали ............................................................................... 11
Изучение изломов ........................................................................................................ 12
Порядок выполнения работы ..................................................................................... 14
Контрольные вопросы и задания .............................................................................. 14
Лабораторная работа 2 Металлографический
микроскоп ............................................................... 15
Цель работы ................................................................................................................... 15
Приборы, материалы и инструмент .......................................................................... 15
Краткие теоретические сведения ............................................................................... 15
Устройство металлографического микроскопа .......................................................... 15
Основные характеристики микроскопа ....................................................................... 18
Оптико-компьютерная металлография ...................................................................... 24
Порядок выполнения работы ..................................................................................... 25
Содержание отчета ....................................................................................................... 25
Контрольные вопросы и задания .............................................................................. 25
Лабораторная работа 3 Микроскопический анализ
(микроанализ) ......................................................... 26
Цель работы: .................................................................................................................. 26
Приборы, материалы и инструмент .......................................................................... 26
Краткие теоретические сведения ............................................................................... 26
Порядок выполнения работы ..................................................................................... 30
Контрольные вопросы и задания .............................................................................. 30
Лабораторная работа 4 Определение критических
точек сплавов свинец–сурьма .............................. 31
Цель работы ................................................................................................................... 31
Приборы, материалы и инструмент .......................................................................... 31
Краткие теоретические сведения ............................................................................... 31
Порядок выполнения работы ..................................................................................... 35
Содержание отчета ....................................................................................................... 36
ОГЛАВЛЕНИЕ
Материаловедение. Лаб. практикум -4-
Лабораторная работа 5 Построение диаграммы
состояния свинец–сурьма. Анализ диаграмм
состояния двойных сплавов .................................. 37
Цель работы ................................................................................................................... 37
Приборы, материалы и инструмент .......................................................................... 37
Краткие теоретические сведения ............................................................................... 37
Порядок выполнения работы ..................................................................................... 45
Лабораторная работа 6 Изучение микроструктуры
и свойств углеродистых сталей ............................ 51
Цель работы ................................................................................................................... 51
Приборы, материалы и инструмент .......................................................................... 51
Краткие теоретические сведения ............................................................................... 51
Порядок выполнения работы ..................................................................................... 59
Содержание отчета ....................................................................................................... 59
Задания к лабораторной работе ................................................................................. 59
Контрольные вопросы и задания .............................................................................. 61
Лабораторная работа 7 Изучение микроструктуры
чугунов ..................................................................... 62
Цель работы ................................................................................................................... 62
Приборы, материалы и инструмент .......................................................................... 62
Краткие теоретические сведения ............................................................................... 62
Порядок выполнения работы ..................................................................................... 67
Содержание отчета ....................................................................................................... 67
Задания к лабораторной работе ................................................................................. 67
Контрольные вопросы ................................................................................................. 69
Лабораторная работа 8 Закалка углеродистой
стали ........................................................................ 70
Цель работы ................................................................................................................... 70
Приборы, материалы и инструмент .......................................................................... 70
Краткие теоретические сведения ............................................................................... 70
Порядок выполнения работы ..................................................................................... 74
Содержание отчета ....................................................................................................... 75
Задания к лабораторной работе ................................................................................. 75
Контрольные вопросы и задания .............................................................................. 77
Лабораторная работа 9 Отпуск углеродистой
стали ........................................................................ 78
Цель работы ................................................................................................................... 78
Приборы, материалы и инструмент .......................................................................... 78
Краткие теоретические сведения ............................................................................... 78
ОГЛАВЛЕНИЕ
Материаловедение. Лаб. практикум -5-
Порядок выполнения работы ..................................................................................... 80
Содержание отчета ....................................................................................................... 80
Задания к лабораторной работе ................................................................................. 80
Контрольные вопросы ................................................................................................. 83
Лабораторная работа 10 Изучение
микроструктуры и свойств конструкционных
легированных сталей ............................................. 84
Цель работы ................................................................................................................... 84
Приборы, материалы и инструмент .......................................................................... 84
Краткие теоретические сведения ............................................................................... 84
Порядок выполнения работы ..................................................................................... 92
Содержание отчета ....................................................................................................... 92
Задания к лабораторной работе ................................................................................. 92
Контрольные вопросы и задания .............................................................................. 96
Лабораторная работа 11 Изучение
микроструктуры и свойств инструментальных
сталей ...................................................................... 97
Цель работы ................................................................................................................... 97
Приборы, материалы и инструмент .......................................................................... 97
Краткие теоретические сведения ............................................................................... 97
Классификация инструментальных сталей по свойствам ........................................ 97
Классификация по назначению ................................................................................... 99
Порядок выполнения работы и содержание отчета ............................................ 105
Задания к лабораторной работе ............................................................................... 105
Контрольные вопросы и задания ............................................................................ 106
Лабораторная работа 12 Микроструктура
алюминиевых сплавов ......................................... 107
Цель работы ................................................................................................................. 107
Приборы, материалы и инструмент ........................................................................ 107
Краткие теоретические сведения ............................................................................. 107
Классификация алюминиевых сплавов .................................................................... 108
Деформируемые сплавы........................................................................................... 109
Литейные сплавы ....................................................................................................... 110
Порядок выполнения работы ................................................................................... 112
Содержание отчета ..................................................................................................... 113
Задания к лабораторной работе ............................................................................... 113
Контрольные вопросы и задания ............................................................................ 114
Лабораторная работа 13 Микроанализ меди,
латуней и бронз .................................................... 115
ОГЛАВЛЕНИЕ
Материаловедение. Лаб. практикум -6-
Цель работы ................................................................................................................. 115
Приборы, материалы и инструмент ........................................................................ 115
Краткие теоретические сведения ............................................................................. 115
Общая характеристика и классификация медных сплавов .................................... 116
Микроструктура меди ................................................................................................. 117
Микроструктура латуней ............................................................................................ 118
Микроструктура бронз ................................................................................................ 120
Порядок выполнения работы ................................................................................... 125
Задания к лабораторной работе ............................................................................... 126
Контрольные вопросы и задания ............................................................................ 127
Библиографический список ................................ 128
Материаловедение. Лаб. практикум -7-
В
В
Е
Е
Д
Д
Е
Е
Н
Н
И
И
Е
Е
Материаловедением называют науку, изучающую взаимосвязь между
составом, строением и свойствами материалов.
Развитие материаловедения необходимо для решения важнейших тех-
нических проблем, связанных с экономией материалов, уменьшением массы
машин и приборов, повышением точности, надежности и работоспособности
механизмов и приборов.
Теоретической основой материаловедения являются соответствующие
разделы физики и химии, однако наука о материалах в основном развивается
экспери
ментальным путем. Поэтому разработка новых методов исследования
строения (структуры) и физико-механических свойств материалов способст-
вует дальнейшему развитию материаловедения.
Курс «Материаловедение» включает две самостоятельные части: 1) ме-
талловедение и термическая обработка металлов; 2) неметаллические мате-
риалы (полимеры, керамика, стекло, резина, древесина и т. д).
В практикуме приведены лабораторные работы по разделам ку
рса
«Материаловедение» для студентов машиностроительных специальностей.
Цель практикума – научить будущих специалистов лучше ориентиро-
ваться в выборе материалов для деталей машин и конструкций.
Материаловедение. Лаб. практикум -8-
Л
Л
А
А
Б
Б
О
О
Р
Р
А
А
Т
Т
О
О
Р
Р
Н
Н
А
А
Я
Я
Р
Р
А
А
Б
Б
О
О
Т
Т
А
А
1
1
М
М
А
А
К
К
Р
Р
О
О
С
С
К
К
О
О
П
П
И
И
Ч
Ч
Е
Е
С
С
К
К
И
И
Й
Й
А
А
Н
Н
А
А
Л
Л
И
И
З
З
(
(
М
М
А
А
К
К
Р
Р
О
О
А
А
Н
Н
А
А
Л
Л
И
И
З
З
)
)
Ц
Ц
е
е
л
л
ь
ь
р
р
а
а
б
б
о
о
т
т
ы
ы
Ознакомиться с методами макроскопического анализа и изучить виды
макроструктур на образцах железоуглеродистых сплавов.
П
П
р
р
и
и
б
б
о
о
р
р
ы
ы
,
,
м
м
а
а
т
т
е
е
р
р
и
и
а
а
л
л
ы
ы
и
и
и
и
н
н
с
с
т
т
р
р
у
у
м
м
е
е
н
н
т
т
Образцы с неравномерным распределением серы и фосфора; с дефек-
тами, нарушающими сплошность металла литой стали; с волокнистостью;
шлифовальная шкурка различной зернистости; деревянные бруски; вытяж-
ной шкаф, водяная баня, фарфоровая ванна; резиновый валик, лупа; щипцы;
вата; фильтровальная бумага; глянцевая бромосеребряная фотографическая
бумага; спирт; реактивы для выявления макроструктуры.
К
К
р
р
а
а
т
т
к
к
и
и
е
е
т
т
е
е
о
о
р
р
е
е
т
т
и
и
ч
ч
е
е
с
с
к
к
и
и
е
е
с
с
в
в
е
е
д
д
е
е
н
н
и
и
я
я
Макроанализ применяют для выявления в металле дендритного строе-
ния, усадочной рыхлости, газовых пузырей, трещин, пустот, плен, шлаковых
включений, расположения волокон в поковках и штамповках, ликвации серы
и фосфора, структурной неоднородности, качества сварного соединения.
При макроанализе проводится исследование макроструктуры.
Макроструктура может быть исследована непосредственно на поверх-
ности заготовки или детали; в изломе или, чт
о делается чаще, на вырезанном
образце (темплете) после его шлифования и травления специальным реактивом.
Образец (темплет) металла, поверхность которого подготовлена для
макроанализа, называется макрошлифом.
П
П
р
р
и
и
г
г
о
о
т
т
о
о
в
в
л
л
е
е
н
н
и
и
е
е
м
м
а
а
к
к
р
р
о
о
ш
ш
л
л
и
и
ф
ф
а
а
Место и способ вы
резки образца. Образец для макроанализа вырезают
в определенном месте и в определенной плоскости в зависимости от того, что
подвергают исследованию – отливку, поковку, штампов
ку, прокат, сварную
или термически обработанную деталь и что требуется выявить и изучить –
первичную кристаллизацию, дефекты, нарушающие сплошность металла, не-
однородность структуры. В связи с этим образцы вырезают из одного или не-
скольких мест слитка, заготовки или детали как в продольном, так и в попе-
речном направлении.
Получение плоской поверхности образца. Поверхность образца для
макроанализа обрабатывают на фр
езерном или строгальном станке (если ма-
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 МАКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ (МАКРОАНАЛИЗ)
Краткие теоретические сведения
Материаловедение. Лаб. практикум -9-
териал с невысокой твердостью) или на плоскошлифовальном станке (если
материал твердый). Для получения более гладкой поверхности образец шли-
фуют вручную.
При шлифовании по поверхности образца водят шлифовальной шкур-
кой, обернутой вокруг деревянного бруска. Шлифование начинают шкуркой
с наиболее грубым абразивным зерном, затем постепенно переходят на шли-
фование шкуркой с более мелким зерном. При переходе с одного номера
шкурки на другой направление шлифования меняют на 90 градусов. Посл
е
шлифования образцы протирают ватой и подвергают травлению.
В
В
ы
ы
я
я
в
в
л
л
е
е
н
н
и
и
е
е
н
н
е
е
о
о
д
д
н
н
о
о
р
р
о
о
д
д
н
н
о
о
с
с
т
т
и
и
р
р
а
а
с
с
п
п
р
р
е
е
д
д
е
е
л
л
е
е
н
н
и
и
я
я
(
(
л
л
и
и
к
к
в
в
а
а
ц
ц
и
и
и
и
)
)
с
с
е
е
р
р
ы
ы
и
и
ф
ф
о
о
с
с
ф
ф
о
о
р
р
а
а
Выявл
ение ликвации серы. Для выявления в стали ликвации серы при-
меняют метод Баумана, для выполнения которого необходимо:
1) макрошлиф хорошо протереть ватой, смоченной спиртом, и поло-
жить на стол шлифованной поверхностью вверх;
2) лист глянцевой бромосеребряной фотографической бумаги вымо-
чить на свету в течение 5–10 мин в 5 %-м водном раство
ре серной кислоты,
слегка просушить между двумя листами фильтровальной бумаги для удале-
ния избытка раствора, наложить эмульсионной стороной на макрошлиф и,
приглаживая сверху рукой или резиновым валиком, удалить образующиеся
пузырьки газов, выдержать на макрошлифе в течение 2–3 мин и осторожно
снять с него;
3) пол
ученный отпечаток промыть в воде, зафиксировать в 25 %-м вод-
ном растворе гипосульфита, снова промыть в воде и просушить.
Полученные на фотобумаге участки коричневого цвета указывают на
места, обогащенные серой (скопления сульфидов). Если фотобумага имеет
равномерную окраску, следовательно, сера распределена равномерно.
Появление темных участков в местах, обогащенных серой, объясняется
тем, что сначала между серн
ой кислотой, впитанной в фотобумагу, и вклю-
чениями MnS, в виде которых сера находится в стали, происходит следую-
щая реакция:
MnS + H
2
SO
4
= MnSO
4
+ H
2
S
Образующийся сероводород действует на бромистое серебро эмульси-
онного слоя, в результате получается сернистое серебро, имеющее темно-
коричневый цвет:
2AgBr + H
2
S = Ag
2
S + 2HBr
На рис. 1.1 дана фотография отпечатка, характеризующего неравно-
мерное распределение серы в образце рельса.
Выявление ликвации фосфора. Ликвацию фосфора в стали выявляют
травлением отшлифованного образца в реактиве состава: 85 г хлорной меди,
53 г хлористого аммония в 1 000 см
3
воды.
Для выявления ликвации необходимо:
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 МАКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ (МАКРОАНАЛИЗ)
Краткие теоретические сведения
Материаловедение. Лаб. практикум -10-
1) отшлифованную поверхность образца протереть ватой, смоченной
спиртом;
2) образец погрузить в указанный реактив и выдержать в нем 1–2 мин;
при выдержке образца в реактиве железо растворяется и вытесняет медь, ко-
торая осаждается на поверхности образца;
3) после выдержки образец вынуть из реактива; вся поверхность об-
разца должна быть покрыта медью;
4) струей воды смыть с поверхности слой мед
и и протереть макро-
шлиф мокрой ватой;
5) просушить образец.
Более темные, т. е. глубоко протравленные участки, – это места, обо-
гащенные фосфором, так как чем больше в железе фосфора, тем быстрее
оно растворяется; светлые участки – места с меньшим содержанием фосфо-
ра (рис. 1.2
).
Рис. 1.1. Ликвация серы в стали Рис. 1.2. Ликвация фосфора в стали
а б
Рис. 1.3. Дефекты, нарушающие сплошность металла: а – поры;
б – трещины