Методические указания для выполнения лабораторно-практических работ по материаловедению конструкционных материалов работ для студентов специальности 340100 “Управление качеством в сфере быта и услуг” (стр. 3 из 7)

При травлении в активной среде анодные участки растворяются, образуя впадины, а катодные остаются неизменными. Таким образом, на поверхности шлифа образуются выступы и впадины, которые отражают форму и размеры структурных составляющих сплава.

Для травления низкоуглеродистых, среднеуглеродистых сталей и чугунов используют реактив следующего состава: 4 мл азотной кислоты с плотностью 1,424 см³ + 96 мл этилового спирта. Время выдержки зависит от структуры металла (обычно от 10 до 80 с). Травление считается законченным, если поверхность шлифа становится слегка матовой. После шлиф промывают водой и высушивают спиртом, прикладывая к нему лист фильтровальной бумаги. При выполнении лабораторной работы необходимо изучить микроструктуру углеродистых сталей и чугунов. Для этого подготовленные образцы просматривают с помощью металлографического микроскопа. Микроструктуру зарисовывают с указанием марки металла, вида обработки, вида травления и увеличения. Изучают микрошлифы низко- и высокоуглеродистой стали и серого чугуна. Уясняют связь между структурой и свойствами железоуглеродистых сплавов. Знакомятся со структурными составляющими – мартенситом, трооститом, сорбитом, цементитом, ферритом и графитом.

Работа 3. Испытания механических и технологических свойств

металлов и изделий из них

Цель работы: изучить основные показатели механических свойств металлов и методы определения твердости; ознакомиться с технологическими пробами и методикой их проведения.

Задания:

1. Определить временное сопротивление, относительное удлинение и относительное сужение после разрыва образцов из листового алюминия.

2. Определить твердость по методу Роквелла и Бринелля у ряда образцов из углеродистой стали.

3. Провести технологические испытания на вытяжку, двойной кровельный замок и перегиб, на навивание и окручивание проволоки.

Механические испытания позволяют определить прочность, пластические и упругие свойства, твердость металлов. Наиболее широко проводятся испытания на растяжение и определение твердости.

Для установления метода испытания следует исходить из назначения сплава. Например, для металлов, применяемых для изготовления ножевых товаров и столовых приборов, инструментальных товаров, одним из основных методов определения качества является испытание на твердость. Если металлические изделия имеют сложную форму и эксплуатируются в тяжелых условиях нагружения, то необходимо проведение нескольких испытаний (например, наряду с испытаниями на растяжение и твердость проводят испытания на технологические пробы). Показатели механических свойств выражены определенными величинами. Например, прочность измеряется в Н/м² (кг/мм²), относительное удлинение - d %.

Технологические испытания характеризуют способность металла принимать определенные деформации или воздействия подобные тем, которые металл должен претерпевать при технологической обработке или в условиях эксплуатации. При технологических испытаниях металлов определяют способность металлов к глубокой вытяжке, обработке резанием, сварке, на перегиб и т.п.

Обычно проведение технологических испытаний оговаривается соответствующими ГОСТами или техническими условиями. При испытаниях размеры образцов и условия испытания должны быть одинаковыми для сравнимости результатов. Показателями пригодности металла для изготовления изделий, а также качества самих изделий служат такие характеристики, как степень вытяжки, угол загиба, число перегибов, число скручиваний, угол загиба, число перегибов, число скручиваний, стойкость к работе и т.д. Технологические пробы, как правило, дают качественную характеристику металла с его пригодностью к изготовлению и применению исходя из условий эксплуатации.

1. Испытание на растяжение

Испытания на растяжение (ГОСТ 1497-73) проводят на универсальных разрывных машинах всех систем. Образцы для испытания могут быть цилиндрические и плоские; изготовляются согласно ГОСТу.

Круглый образец (см. рисунок) состоит из рабочей части l₀ и головок (высотой h), служащих для закрепления его в захватах разрывной машины. Переход от рабочей части к головкам должен быть главным. Рабочей часть образца должна быть изготовлена с большой точностью.

Образцы бывают двух видов – нормальные и пропорциональные. У нормальных образцов диаметр рабочей части равен 20 мм, а расчетная часть l₀ – 100 мм – у коротких или 200 мм – у длинных. У пропорциональных образцов расчетная длина l₀равна пяти диаметрам у коротких и десяти – у длинных образцов.

Если применяют плоские образцы, то расчетную часть l₀определяют по формулам:

где F₀ – начальная площадь поперечного сечения, мм².

По этим же формулам определяют расчетную длину круглых образцов диаметром от 20 до 3 мм.

При испытании на растяжение тонких листов и лент толщиной менее 4 мм (ГОСТ 11701) применяют образцы с начальной расчетной длиной, равной 8 в₀(“длинные”) или 4 в₀ (“короткие”), где в₀ – начальная ширина образца в рабочей части на расчетной длине l₀.

При испытании на растяжение определяют следующие характеристики механических свойств: предел пропорциональности (условный) - d _пц ; предел упругости (условный) - d _0,05 ; предел текучести (физический) - d _т; предел текучести (условный) - d _0,2; временное сопротивление - d _в; относительное удлинение после разрыва - d ; относительное сужение после разрыва - j . Первые пять показателей являются характеристиками прочности металлов, последние две – пластичности.

Пределы пропорциональности, упругости и текучести определяются только графическим методом по диаграмме растяжения.

Для определения временного сопротивления d _в испытуемый образец подвергается растяжению под действием плавно возрастающей нагрузки до разрушения. Наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца, принимается за нагрузку Р_max (Р_в), соответствующую временному сопротивлению (предел прочности). Временное сопротивление d _в вычисляется по формуле

где Р_в- наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца, Н или кгс;

F₀- начальная площадь поперечного сечения образца, м² или мм².

Относительное удлинение d (%) определяют по формуле

где l₁ – длина образца поле разрыва, мм;

l₀– длина образца расчетная, мм.

Относительное сужение j (%) после разрыва определятся по формуле

где F₀ – начальная площадь поперечного сечения образца, мм²;

F₁ – площадь поперечного сечения после испытания в месте разрыва, мм².

При выполнении лабораторной работы следует определить временное сопротивление, относительное удлинение и относительное сужение на плоских образцах из алюминия.

При подготовке образцов производят замер микрометром толщины рабочей части образца, штангенциркулем – ширину рабочей части образца и отмечают по оси образца расчетную длину l₀. Образец закрепляют в зажимных головках разрывной машины и плавно увеличивают нагрузку до разрушения образца. В конце испытания отмечают максимальную нагрузку.

2. Определение твердости

Под твердостью металла понимают показатель механических свойств, характеризующих сопротивление металла проникновению в его толщу более твердого тела, т.е. способность материала сопротивляться воздействию внешних контактных напряжений. Малый объем деформируемого металла дает возможность определить твердость непосредственно на самом изделии, не пользуясь специально изготовленными образцами.

Для определения твердости металлов применяют метод вдавливания. На вдавливании стального шарика основаны приборы Бринелля и Польди, на вдавливании алмазного конуса и стального шарика – прибор Роквелла. Чем меньше при определенной нагрузке проникает в металл вдавливаемый шарик или алмазный конус, тем металл тверже. Зная твердость, можно судить о прочностных и пластических показателях металла. Например, в конструкционных сталях существует количественная связь между твердостью и пределом прочности:

где d _в – предел прочности при растяжении, кг× с/мм²;

НВ - твердость по Бринеллю, кг× с/мм²;

к – коэффициент, зависящий от природы металла (если НВ< 175, то к=0,34; если НВ> 175, то к=0,36).

Определение твердости по Бринеллю

При измерении твердости по методу Бринелля стальной шарик диаметром 10 мм вдавливают при определенной нагрузке (Р=3000 кг× с). Величину твердости характеризует отношение нагрузки Р, действующей на шарик к площади поверхности шарового отпечатка диаметром d и глубиной h от вдавливаемого шарика диаметром Д.

где НВ – твердость по Бринеллю, кг× с/мм²;

Р – нагрузка, кг× с;

F – площадь шарового сегмента, мм².

Как известно, площадь шарового сегмента F равна F = пДh,

где Д – диаметр шарика, мм;