microbik.ru
1 2 3 4
Предисловие
Развитие современной авиационной техники идет по пути применения высоких скоростей полетов, больших давлений, высоких температур.

Среди проблем эксплутационной надежности авиационной техники в настоящее время основной проблемой является преодоление теплового барьера. Происходящие в ходе эксплуатации летательного аппарата необратимые изменения в структуре и химическом составе материала деталей приводят к так называемому перерождению материала, что оказывает существенное влияние на надежность и ресурс летательного аппарата.

В обеспечении эксплуатационной надежности летательных аппаратов большая, в ряде случаев решающая роль принадлежит поверхности детали, поскольку ее свойства детали. Изменяя состав и структуру поверхности материала, можно благотворно воздействовать на эксплуатационные свойства детали.

Наука, устанавливающая закономерности, связывающие свойства материалов с их химическим составом и структурой, называется материаловедением.

Материаловедение занимается изучением двух групп материалов: металлов и неметаллов.

Цель лабораторных работ – ознакомление студентов со свойствами наиболее типичных авиационных материалов, применяемых в самолетах гражданской авиации, в их связи с составом и структурой, а также с современными методами исследования материалов.

Лабораторные работы построены таким образом, чтобы студенты могли приобрести навыки к самостоятельной работе.

Поэтому приводимые в руководстве лабораторные работы носят характер небольших исследований, что позволяет целенаправить работу студентов не только на наблюдение того, как протекает физическое явление, но и ответить на вопрос, почему оно протекает именно так, как показал опыт.

Каждая работа, приводимая в руководстве, содержит краткое ее теоретическое описание, с которым студент должен ознакомиться перед тем, как приступить к выполнению эксперимента, методические указания по выполнению работы, задание и вопросы для самопроверки.

В период выполнению лабораторного практикума предусматривается проведение рубежного контроля знаний студентами теоретической части курса в объеме лабораторного практикума.

Перед началом выполнения лабораторной работы степень теоретической подготовки студентов оценивается ведущим преподавателем.

Лабораторная работа № I
Определение твердости металлов методом Бринеля и Роквелла
Введение
Твердостью называется способность металлов и сплавов сопротивляться действию пластической деформации при контактном приложении нагрузки. Испытание на твердость благодаря своей простоте находит широкое применение при испытании материалов и готовых изделий. Кроме того, следует иметь в виду, что величина твердости связана с пределом прочности в материалов и благодаря этому оказывается возможным определить прочность материалов без их разрушения. Так, например, для углеродистых сталей между числом твердости по Бринелю и пределом прочности в существует следующая зависимость:


Определение твердости по Бринелю
В испытуемый материал А под определенной нагрузкой Р вдавливается стальной закаленный шарик диаметром D. По величине отпечатка d судят о твердости. Число твердости по Бринелю НВ определяется как отношение нагрузки, действующей на шарик к поверхности отпечатка (сегмента) F, т.е.



Из рис. 1 можно определить поверхность шарового сегмента, используя известное из геометрии соотношение , где hглубина отпечатка.

Выражая глубину отпечатка h через его диаметр и диаметр шарика, получим




Рис. 1
Тогда



Однако производить каждый раз расчеты твердости НВ по формуле нет необходимости, поскольку для различных значений диаметра отпечатка составлены таблицы (см. приложение).

Определение твердости образцов производится с помощью рычажного автоматического пресса Бринеля типа ПВМ.

Работа на прессе осуществляется следующим образом. Перед началом испытаний устанавливаются грузы и шарик в зависимости от рода и толщины испытуемого материала. Рычаг с подвесками без грузов уравновешивает нагрузку на шарик 187,5 кг. Подбором грузов можно осуществить следующие нагрузки: 187,5; 250; 500; 750; 1000 и 3000 кг.

Испытуемый материал помещается на столик и при помощи винта, приводимого в движение вращением маховичка или рукоятки, поднимается к шарику, укрепленному в оправке, до тех пор, пока пружина, прижимающая шарик к образцу, не сожмется до отказа, а указатель не станет против риски, создавая этим предварительную нагрузку 100 кг. Затем нажатием кнопки (сбоку пресса) включается электродвигатель, который через коробку скоростей приводит во вращательное движение эксцентрик. Эксцентрик, вращаясь, опускает шатун вниз, в результате чего грузы через систему рычагов создают нагрузку на шарик.

При дальнейшем вращении эксцентрика шатун поднимается, снимает нагрузку с шарика, возвращает рычаги и грузы в исходное положение. Возвращение грузов в исходное положение сигнализируется звонком и сопровождается выключением электродвигателя. Вращением маховичка или рукоятки в обратную сторону опускают стол, испытуемый образец отводят от шарика, после чего измеряют диаметр отпечатка с помощью лупы (с точностью до 0,01 мм) и по таблице, зная нагрузку и диаметр шарика, находят твердость по Бринелю.
Определение твердости по Роквеллу

Сущность метода определения твердости по Роквеллу состоит в том, что в качестве вдавливаемого тела (индентора) применяется алмазный конус с углом при вершине 120º или стальной закаленный шарик диаметром 1,16дм (1,54 мм)

.
Рис. 3
Нагрузка при этом составляет соответственно 150 (HRC) и 100 (HRB) кг. Алмазный конус применяется для испытаний твердых материалов, а шарик - для более мягких (рис.3)

Для определения твердости по Роквеллу испытуемый образец устанавливается на столик 1 прибора (рис. 4). При помощи штурвала 2 образец подводится к индикатору 3, на индикаторе устанавливается маленькая стрелка против красной точки. Легким нажимом откидывают назад рукоятку 5, и она медленно перемещается до упора, вследствии чего автоматически включается рычажная система с грузами 7-9. После того, как движение рукоятки прекратится, ее возвращают обратно, чем снимается основная нагрузка. Большая стрелка будет указывать величину твердости по Роквеллу.


Рис. 4
Числа твердости по Роквеллу можно перевести в числа твердости по Бринелю, пользуясь таблицей (приложение).
Определение микротвердости материалов
Часто очень важно знать твердость очень больших по площади или толщине участков материала (например, твердость поверхностных слоев при химико-термической обработке или отдельных зерен твердого раствора. В этих случаях проводят измерение микротвердости материала – т.е. в образец вдавливается алмазная четырехгранная пирамида под нагрузкой от 2 до 200г. Размер отпечатка (диагональ) измеряется с помощью микроскопа при увеличении в 465 крат (рис. 5).

Рис. 5. Исследование микротвердости материалов
Цель работы
Цель работы состоит в изучении методов определения твердости материалов (методом Бринеля, Роквелла, определение микротвердости) и по полученным данным устанавливается связь твердости с концентрацией углерода в сталях и связь предела прочности с твердостью материалов.

Значение твердости измеряется на каждом образце не менее трех раз и в таблицу записывается среднее значение твердости.
Задание


  1. Сформулировать цель работы.

  2. Измерить значение твердости указанных образцов.

  3. Построить зависимость твердости сталей от содержания в них углерода.


Вопросы для самопроверки


  1. Что называется твердостью материала?

  2. Дать определение твердости по Бринелю и по Роквеллу.

  3. Какова связь твердости материала с пределом прочности?

  4. В каких случаях следует применять метод измерения твердости по Бринелю и в каких по методу Роквелла?

Как измеряется микротвердость материалов?

Лабораторная работа №2

Микроструктура углеродистых сталей и чугунов

Введение

Фазовый состав и структурные составляющие углеродистых сталей и чугунов в равновесном состоянии описываются диаграм-мой состояния железо-углерод.

На рис. I приведена диаграмма состояния Fe-C для сплавов, содержащих до 6,67%C, поскольку при этой концентрации образу-ется химическое соединение – карбид железа или цементит, поэтому цементит удобно рассматривать как второй компонент системы.



Рис. 1
Рассмотрим характерные области диаграммы .

  1. Область GPQOG принадлежит твердому раствору угле-рода в α – Fe, называемому ферритом (ОЦК). Предельная раство-римость углерода в феррите при t = 727°С равна 0,02%. С уменьшением температуры до 600°С растворимость углерода в феррите падает до 0.01%.

  2. Область GNIESOG принадлежит твердому раствору углерода в γFe, называемая аустенитом (ГЦК); предельная растворимость углерода в аустените равна 2,14% при t=1147°С. С уменьшением температуры до 727°С растворимость углерода в аустените падает до 0,8%.

  3. Область AHNA отвечает твердому раствору углерода в

δ – Fe (ОЦК); предельная растворимость углерода равна 0,1 при t=1499°С. Так как у и - один и тот же тип кристаллической решетки (К=8), твердый раствор углерода в δ – Fe называется высокотемпературным ферритом. Вышеуказанные твердые раство-ры записывают так:

; ;

Все три твердых раствора принадлежат к растворам типа внед-рения. Феррит весьма мягок, пластичен (HB=65-130; = 30 кг/мм²; δ=30%), магнитен до 768°С. Сплавы железа с углеродом (до 0,5%С) теряют магнетизм выше температуры МО, отвечающей точке Кори (768°С).

Аустенит более тверд и пластичен (HB=200-250; δ=40-50%), немагнитен. Цементит очень тверд, но хрупок (HB>800). Цементит имеет сложную орторомбическую кристаллическую решетку. Цементит магнитен до 210°С (), Будучи метастабильным соединением при весьма длительном нагреве выше 540°С цементит обнаруживает тенденцию к разложению.

При t=1147°С и концентрации углерода 4,3% образуется эвте-ктика (т. “C” на диаграмме), которая состоит из двух фаз: аустенита и цементита. Такая смесь двух фаз называется ледебуритом. С уменьшением температуры с 1147 до 727°С предельная раствори-мость углерода в аустените с 2,14% уменьшается до 0,8% (линия ES, по которой из аустенита выделяется вторичный цементит). Точка S, в которой сходятся две ветви кривых растворимости (GS и ES), напоминает точку эвтектики (С), однако в отличие от эвтектики в процессе охлаждения превращение в точке S происходит в твердом состоянии

.

Такое превращение аустенита в смесь предельно насыщенного углеродом феррита и цементита называется эвтектоидным, а точка S называется эвтектоидной точкой. Образующаяся в процессе превращения эвтектоидная смесь, состоящая из феррита и цементи-та, называется перлитом.

Перлит имеет пластинчатое строение: кристаллы цементита перемежаются с кристаллами феррита.

Таким образом, в диапазоне концентраций углерода от точки Р до точки К в системе сплавов Fe – С при 727°С происходит эвтек-тоидное превращение, при котором из аустенита образуется перлит. Температура эвтектоидного превращения 727°С обозначается бук-вой . Таким образом, и структура ледебурита ниже 727°С уже бу-дет состоять не из смеси аустенита и цементита, а из смеси перлита и цементита.

В системе FeC имеются две принципиальные группы сплавов: стали и чугуны.

Сталями называются сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14%С, сплавы с большим содержанием углерода называются чугунами.

Сталь, содержащая 0,8%С, называется эвтектоидной. Если сталь содержит менее 0,8%С, она называется доэвтектоидной, а при большем содержании (0,8-2,14%С) – заэвтектоидной.

Рассмотрим структурное превращение в системе Fe – С при медленном охлаждении аустенита доэвтектоидной стали 0,4% (рис.2). Воспользуемся при этом правилом фаз Гиббса

С=К-Ф+1,

где С – число степеней свободы в системе;

К – число компонентов;

Ф – число фаз.



Рис2.

В интервале температур 0-1 происходит охлаждение аустенита. Так как К=2; Ф=I, то С=2. Таким образом, процесс должен происходить при переменной температуре. Эта стадия процесса показана участком 0-1 на кривых охлаждения (рис. 2). В точке 1 – начало кристаллизации α фазы (феррита). По мере охлаждения относительное количество феррита увеличивается, а аустенита уменьшается. Концентрация углерода в аустените увеличивается по линии 1-S и в точке S при температуре 727°С достигает 0,8%. Концентрация углерода в феррите при этом увеличивается по линии GP, достигая при 727°C в точке Р значения 0,2%. На кривой охлаждения (рис. 2) этот процесс отражен наклонной линией 1-2 (так как С=1). При температуре 727°С происходит эвтектоидное превращение (γα+), при этом образуется перлит. Так как в реакции превращения участвуют 3 фазы, то С=0. Таким образом перлитное превращение протекает изотермически (площадка 2’-2 на кривой охлаждения). При дальнейшем понижении температуры до комнатной в интервале 2’-3 происходит охлаждение двухфазной структуры, которая состоит из зерен феррита и зерен перлита. Зерна феррита в микроструктуре наблюдаются в виде светлых зерен, перлит в виде темных участков структуры. При большом увеличении можно наблюдать, что структура перлита состоит из пластинок феррита и цементита. Чем больше углерода в стали, тем больше в микроструктуре перлитной составляющей, тем выше твердость и прочность стали, но ниже пластичность (рис. 3).



рис. 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА В ДОЭВТЕКТОИДНЫХ СТАЛЯХ
Так как содержание углерода в феррите незначительно по сравнению с перлитом, то можно считать, что весь углерод в доэвтектоидной стали содержится в перлите. Более строго, общее количество углерода в стали следовало бы определить из уравнения:

, (1)

т.е.

, (2)

где Сконцентрация углерода в стали;

- концентрация углерода в феррите и перлите соответственно;

S – полная площадь исследуемого участка;

- площади, занимаемые ферритом и перлитом соответст- венно.

Но, как уже говорилось выше, можно С1=0 и тогда (2) перепишется в виде:

.
Таким образом, определяя относительную площадь, занятую перлитом S2/S, можно определить концентрацию углерода в доэвтектоидной стали.

Микроструктура заэвтектоидной стали состоит из перлита и вторичного цементита, расположенного в виде светлой сетки по границам зерен перлита.

Стали доэвтектоидного состава относятся (за некоторым исключением) к конструкционным сталям, стали эвтектоидного состава и заэвтектоидного – к инструментальным.

Стали, применяемые в авиации, относятся к группе высоко-качественных, у которых содержание вредных примесей (S, P) не должно превышать 0,03%. В марках сталей с низким и средним содержанием углерода цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, а с высоким содержанием углерода (инструментальных) в десятых долях процента. Кроме того, в последнем случае перед цифрами ставится буква “У”. Например, сталь 45. Это среднеуглеродистая конструкционная

сталь, содержащая 0,42 – 0,5%С, У12А – инструментальная сталь с 1,2%С (1,15-1,24%С). Буква “A” характеризует принадлежность стали к высококачественной группе.

Чугуны делятся на белые, серые и ковкие.

Белый чугун имеет в изломе матово-белый оттенок вследствие наличия цементита. Основной структурной составляющей белого чугуна является ледебурит.

В белом чугуне весь углерод связан в цементите. Белые чугуны подразделяются на доэвтектические (С<4,3%), эвтектические (С=4,3%) и заэвтектические (С>4,3%). Доэвтекти-ческий белый чугун состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита. Перлит в белом чугуне окрашен в более темный цвет, а ледебурит имеет вид участков с точечными темными вкраплениями. Вторичный цементит, выделившийся из аустенита, находится в виде светлых включений и игл.

Эвтектический белый чугун содержит 100% ледебурита, представляющего смесь перлита и цементита. Перлит в ледебурите темный, цементит светлый

Заэвтектический белый чугун состоит из первичного цементита и ледебурита. Первичный цементит имеет вид крупных светлых игл, а ледебурит имеет такой же характер структуры, как и в доэвтектическом чугуне.

Серый чугун. В изломе, благодаря наличию в структуре графита, чугун приобретает серый цвет.

Микроструктура серого чугуна не соответствует диаграмме Fe-C (рис. 1), поскольку углерод в сером чугуне находится частично или полностью в свободном состоянии (графит).

Серый чугун получают путем введения в чугун повышенного количества кремния, который ускоряет распад цементита по реакции: (графит). Эта же реакция протекает при медленном охлаждении чугуна, при литье. По степени графитизации различают несколько видов серых чугунов: перлитный, перлитно-ферритный и ферритный.

В микроструктуре серого чугуна графит наблюдается в виде пластин, которые, будучи хрупкими, образуют в металлической матрице микролокальную концентрацию напряжений, вследствие чего механические свойства такого чугуна невысокие.

Путем введения в чугун перед разливкой модификаторов (магний, силикокальций) графит принимает шаравидную форму. Концентрация напряжений в этом случае меньше, что повышает механические свойства чугуна. Путем длительного двойного отжига белого чугуна при 950-970°С и после при 760-720°С получают ковкий чугун. В результате отжига графит в структуре приобретает форму хлопьев. Такой графит по сравнению с пластинчатым меньше снижает прочность и пластичность чугуна.

Металлическая основа может состоять из феррита (ферритный ковкий чугун) и перлита (перлитный ковкий чугун). Наибольшей пластичностью обладает ферритный ковкий чугун.

Железо (типа армко), Э,ЭА (С≤0,04%). Микроструктура состоит из светлых полиэдрических зерен феррита. Различный оттенок полиэдров связан с анизотропией зерен. На светлом фоне зерен феррита наблюдаются неметаллические включения (в виде темных точек).

Сталь 45А (0,42-0,50%С). Микроструктура состоит из светлых зерен феррита и темных зерен перлита. При большом увеличении (больше 500 крат) отчетливо наблюдается пластичное строение перлита, темные участки( пластины) принадлежат части поля структуры, занятой ферритом, светлые участки (пластины) структуры принадлежат цементиту и частично ферриту.

Сталь У8А (0,75-0,84%С). Микроструктура состоит из перлита. В различных зернах ориентация пластин цементита и феррита различна.

Сталь У12А (1,15-1,24%С). Микроструктура состоит из плас-тинчатого перлита и вторичного цементита. Вторичный цементит расположен в виде светлой оторочки (сетки) по границам зерен перлита.

Белый чугун. Химический состав: 2,4-2,8%С; 0,8-1,4Si; ≤I%Mn, ≤0,I%S, ≤0,2%P. Микроструктура доэвтектического белого чугуна состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита. Темные большие участки шлифа – перлит. Светлые участки с точечными темными вкраплениями – ледебурит. Вторичный цементит, выде-

лившийся из аустенита, находится в виде светлых включений и игл, а местами сливается с цементитом ледебурита.

Серый перлитный чугун (СЧ18-36). Химический состав: 3,2-3,6%С; 0,4-1,8%Si; ≤1%Mn; ≤0,2%S; ≤0,2%P. Микроструктура сос-тоит из перлита (основное поле шлифа) и графита (темные крупные пластинки).

Высокопрочный магниевый чугун (ВЧ60-8). Химический состав: 3,4-3,6%С; 1,8-2,2%Si; 0,96-1,2%Mn; 0,01-0,63%Mg; ≤0,01%S, ≤0,06%P. Микроструктура состоит из сфероидных частиц графита, окруженных ферритом, который наблюдается в виде светлых участков. Основной (темный) фон микроструктуры составляет перлит.

Цель работы
Целью работы является изучение диаграммы состояния Fe-C и микроструктуры конкретных образцов (шлифов) сталей и чугунов. Изучение принципиальных свойств сталей и чугунов и области их применения.

Выполнение работы
Студент должен ознакомиться с принципом действия металло-микроскопа (ход луча) и методикой изготовления шлифов. Студенту предоставляется комплект шлифов различных сплавов системы Fe-C согласно нижеприведенной таблице.
Таблица


Марка

сплава

Химический

состав,



Термическая

обработка, °С, ч

Механические

св-ва

Применение

1. Э, ЭА, железо типа армко

С≤0,04

Отжиг

НВ=80-90 кг/мм²

=25 кг/мм²

δ=50%

Сердечники эл. магнитов; прутки; листы; детали, изготовляя-емые глубокой штамповкой

2. Сталь 45

0,42-0,50С

Отжиг

НВ=152 кг/мм²

=51 кг/мм²

δ=28%

Болты; гайки; шпильки; противовесы коленчатых валов

3. Сталь У8А

0,75-0,84С

Отжиг

НВ=180 кг/мм²

=70 кг/мм²

δ=10-15%

Матрицы; пуансоны; пневматичес-кий инструмент

4. Сталь У12А

1,15-1,24С




НВ=230 кг/мм²

=68 кг/мм²

δ=5%

Режущий и мерительный инструмент

5. Белый Чугун

2,4-2,8%С; 0,8-1,4Si; ≤I%Mn, ≤0,I%S, ≤0,2%P

Охлаждение на воздухе после литья

НВ=300-400кг/мм²

=10 кг/мм²

δ=0%

Идет на передел

6. Серый перлитный чугун (СЧ18-36)

3,2-3,6%С; 0,4-1,8%Si; ≤1%Mn; ≤0,2%S; ≤0,2%P

Охлаждение после литья медленное

НВ=150-200кг/мм²

=18 кг/мм²

δ=0,2%

Фрикционные колодки; торцевые барабаны; шестерни; поршневые кольца тепловых двигателей; втулки и стаканы насосов

7. Высоко-прочный чугун (ВЧ60-8)

3,4-3,6%С; 1,8-2,2%Si; 0,96-1,2%Mn; 0,01-0,63%Mg; ≤0,01%S, ≤0,06%P

Двойное модифицирование перед разливкой (FeSi и Mg), медленное охлаждение.

НВ=190-260кг/мм²

=60-68кг/мм²

δ=8-12%

Фрикцион-ные диски; антифрик-ционные втулки и матрицы для холодного прессования алюминия.


следующая страница >>