1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И МОЛОДЁЖНОЙ ПОЛИТИКИ

СВЕРДЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение

Свердловской области «Краснотурьинский индустриальный колледж»

(ГАПОУ СО «КИК»)

Методическое пособие

для выполнения лабораторных и практических работ

по дисциплине

ОП.05 «Материаловедение»

основной профессиональной образовательной программы (ОПОП)

по специальности СПО

13.02.11 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического

оборудования (по отраслям)

Краснотурьинск

2023 г.

2

Методическое пособие составлено в соответствии с рабочей программой по дисциплине

ОП.05 «Материаловедение» преподавателем Герман Н. И., 2023г

Составитель: Герман Н.И.

3

СОДЕРЖАНИЕ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА…………………………………………………………….

4

Лабораторная работа№1 тема: Изучение методики измерения твердости материалов

по Бринеллю и Роквеллу ………..……………………………………………………………

5

Лабораторная работа №2 тема: Испытание на растяжение………………………………

10

Лабораторная работа №3 тема: Изучение методики испытания материалов на ударный

изгиб. Определение ударной вязкости металлов……………………………………… …..

13

Практическая работа №1 тема: Анализ диаграммы фазового равновесия сплавов

системы F

e

- F

e3

C………………………………………………………………………………...

16

4

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Настоящее методическое пособие по выполнению лабораторных и практических

работ для студентов специальности 13.02.11 Техническая эксплуатация и обслуживание

электрического

и

электромеханического

оборудования

(по

отраслям)

(углубленная

подготовка)

составлено

в

соответствии

с

рабочей

программой

дисциплины

ОП.05

«Материаловедение».

Целью

изучения

дисциплины

является

приобретение

студентами

теоретических

знаний, практических умений и навыков в области классификации материалов, металлов и

сплавов, их области применения и принципов выбора конструкционных материалов для

применения в производстве.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен уметь:



выбирать материалы для конструкций по их назначению и условиям эксплуатации;



проводить исследования и испытания материалов;



работать с нормативными документами для выбора материалов с целью обеспечения

требуемых характеристик изделий.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен знать:



классификацию материалов, металлов и сплавов, их области применения;



строение и свойства металлов, методы их исследования;



закономерности процессов кристаллизации и структурообразования металлов и сплавов,

основы их термообработки, способы защиты металлов от коррозии;



методы воздействия на структуру и свойства материалов;



принципы выбора конструкционных материалов для применения в производстве.

Методическое пособие содержит 3 лабораторные работы и 1 практическую работу,

а также критерии оценивания.

№

Тематика лабораторных и практических работ

продолжительность, час

1.

Лабораторная работа №1: Изучение методики измерения

твердости материалов по Бринеллю и Роквеллу

2

2.

Лабораторная работа №2: Испытание на растяжение

2

3.

Лабораторная работа №3: Изучение методики испытания

материалов на ударный изгиб. Определение ударной

вязкости металлов

2

4.

Практическая работа №1: Анализ диаграммы фазового

равновесия сплавов системы F

e

- F

e3

C

2

5

Лабораторные работы:

Тема 1.1.1 Атомно-кристаллическое строение металлов.

Методы исследования и испытания металлов и сплавов

Задание для выполнения

Лабораторной работы №1

тема «Изучение методики измерения твердости материалов по Бринеллю и Роквеллу»

Цель работы:

1.Научиться самостоятельно производить испытания на твердость по Бринеллю.

2.Изучить устройство автоматического рычажного пресса для определения твердости.

3. Ознакомиться с методом определения твердости по Роквеллу.

Приборы,

материалы

и

инструмент:

для

проведения

работы

необходимо

иметь

автоматический рычажный пресс и прибор типа Роквелла (рис.5); образцы стали и сплавы

цветных

металлов

различной

толщины;

образцы

стали

в

отожженном

и

закаленном

состоянии; сплавов цветных металлов и твердых сплавов; лупу для измерения диаметра

отпечатка; наждачное точило; напильник; шлифовальную шкурку.

Схема испытаний и величина твердости по Бринеллю:

Испытание на твердость по Бринеллю производится вдавливанием в испытуемый образец

стального шарика определенного диаметра под действием заданной нагрузки в течение

определенного времени.

Схема испытаний на твердость по Бринеллю дана на рис 1. В результате вдавливания шарика

на

поверхность

образца

получается

отпечаток

(лунка).

Отношение

нагрузки

P(н)

к

поверхности полученного отпечатка (шарового сегмента) F, мм

2

дает число твердости,

обозначаемое НВ

F

P

HB



.

Поверхность F шарового сегмента

Dh

F





,

где D – диаметр вдавливаемого шарика, мм; h – глубина отпечатка, мм.

Риcунок 1- Схема испытания на твердость

по способу Бринелля

Так как глубину отпечатка h измерить трудно, а гораздо проще измерить диаметр отпечатка

d, то целесообразно величину h, мм, выразить через диаметры шарика D и отпечатка d:

2

2

2

d

D

D

h







,

1.1

Основы

металловедения

6

Тогда поверхность F шарового сегмента, мм

2

:

),

(

2

2

2

d

D

D

D

F









а число твердости по Бринеллю будет характеризоваться формулой:

.

(

2

2

2

d

D

D

D

P

HB









Выбор диаметра шарика и нагрузки:

Шарики различного диаметра (D=10; 5 и 2,5мм) применяют в

зависимости от толщины испытываемого материала.

Рисунок 2 - Отсчет по шкале лупы

Нагрузку P выбирают в зависимости от качества

испытываемого материала по формуле:

2

KD

P



,

где K – постоянная для данного материала величина, равная 300, 100 или 25.

Стандартное значение для стали Ст 40 ГОСТ 1050-89 HB230

Устройство и принцип работы прибора Бринелля:

На рис. 3 приведена принципиальная схема

твердомера ТБ 5004.

Рисунок 3 - Схема прибора для определения

твердости по Бринеллю

Основными частями прибора являются:

1.

Шпиндель

6,

в

который

вставляются

сменные инденторы с шариками разного диаметра.

2. Подвеска 18 с набором грузов.

3.

Маховик

1,

перемещающий

опорный

столик 5 с образцом в вертикальном направлении.

4.

Система

рычагов

12,

15,

17-19,

передающих нагрузку на испытуемый образец.

5. Электродвигатель 21, обеспечивающий работу прибора.

6.

Пульт

управления

с

переключателями

режима

работы,

сигнальными

лампами

“контроль”, “выдержка”, “сеть”, реле времени.

7. Кнопки “пуск” и “стоп”.

№

опыта

Диаметр

шарика, D, мм

Нагрузка, F,

Н

Диаметр

отпечатка, d,

мм

Твердость

)

(

2

2

2

d

D

D

D

F

HB









1

10

2

10

3

10

Среднее значение



7

Вывод:

Схема испытания и величина твердости по Роквеллу:

Испытание

на

твердость

по

Роквелл у

производят

вдавливанием

в

испытуемый образец (деталь) алмазного конуса с углом 120° или стального

закаленного

шарика

диаметром

1,588

мм.

Шарик

и

конус

вдавливают

в

испытываемый

образец

под

действием

двух

последовательно

прилагаемых

нагрузок – предварительной P0 и основной P1.

На твердомере Роквелла нанесены 3и шкалы:

А (чёрные цвета) – испытания алмазным конусом, HRA

В (красные цвета) – испытания шариком, HRB

С (чёрные цвета) – испытания стальным конусом, HRC.

Рисунок 4- Схема определения твердости

вдавливанием алмазного конуса (на приборе

Роквелла).

За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению

наконечника на 0,002 мм. Число твердости по Роквеллу HR определяется по формулам:

- при измерении по шкале В: HR=130 — е,

- при измерении по шкалам С и A: НR = 100- e,

,

где h — глубина внедрения наконечника в испытуемый материал под действием

общей

нагрузки

Р,

измеренная

после

снятия

основной

нагрузки

Р

1

с

оставлением

предварительной нагрузки Р

0.

Подготовка образца для испытания:

Поверхность образца, как испытываемая, так и опорная, должны быть плоскими,

параллельными друг другу и не должны иметь таких дефектов, как окалина, забоины, грязь

различные

покрытия.

Все

дефекты

поверхности

образца

должны

быть

удалены

мелкозернистым наждачные кругом, напильником или наждачной бумагой. При

обработке поверхности образец не должен нагреваться выше 100-150°С.

№

Диаметр отпечатка d,

мм

HRB

HB

1

2

3

Среднее значение

Для стандартного значения стали Сталь Ст20 НВ176, HRB 88

Рисунок 5 - Прибор для определения твёрдости материала по

методу Роквелла:

1 - маховик; 2 - подъёмный винт; 3 - столик; 4 - испытываемый

образец; 5 - индикатор, показывающий число твёрдости; 6 -

индентор (алмазный конус или стальной шарик); 7 - рукоятка

для освобождения груза 8, создающего усилие для вдавливания

индентора в материал

8

Вывод:

Таблица 1 - Перевод чисел твердости

Твердость по Роквеллу

Твердость

по Виккерсу

Твердость

по Бринеллю, НВ

Твердость

по Роквеллу

по шкале В

Твердость

по Бринеллю, НВ

По шкале С

По шкале А

70

86,5

1076

-

100

240

69

86,0

1004

-

99

234

68

85,5

942

-

98

228

67

85,0

894

-

97

222

66

84,5

854

-

96

216

65

84,0

820

-

95

210

64

83,5

789

-

94

205

63

83,0

763

-

93

200

62

82,5

739

-

92

195

61

81,5

715

-

91

190

60

81,0

695

-

90

185

59

80,5

675

-

89

180

58

80,0

655

-

88

176

57

79,5

636

-

87

172

56

79,0

617

-

86

169

55

78,5

598

-

85

165

54

78,0

580

-

84

162

53

77,5

562

-

83

159

52

77,0

545

-

82

156

51

76,5

528

-

81

153

50

76,0

513

-

80

150

49

75,5

498

-

79

147

48

74,5

485

-

78

144

47

74,0

471

448

77

141

46

73,5

458

437

76

139

45

73,0

446

425

75

137

44

72,5

435

415

74

135

42

71,5

413

393

72

130

40

70,5

393

372

70

125

38

-

373

352

68

121

36

-

353

332

66

117

34

-

334

313

64

114

32

-

317

297

62

110

30

-

301

283

60

107

28

-

285

270

26

-

271

260

24

-

257

250

22

-

246

240

20

-

236

230

_______________________________________________________________________

Лабораторная работа выполняется в строгом соответствии с алгоритмом, изложенным

в

методическом

пособии

для

выполнения

лабораторных

работ

по

дисциплине

ОП.05

«Материаловедение».

9

Дифференцированные по сложности задания:

- Продвинутый – оценка «пять» - работу выполнить в полном объеме, самостоятельно

рассчитать твердость по Бринеллю (НВ) и перевести значение твердости по Бринеллю в

твердость по Роквеллу, объяснить чем проводятся испытания на твердость по Бринеллю и по

Роквеллу по шкалам А, В и С, по результатам лабораторной работы сделать правильные

выводы.

- Продуктивный - оценка «хорошо» - работу выполнить в полном объеме, самостоятельно

рассчитать твердость по Бринеллю (НВ) и перевести значение твердости по Бринеллю в

твердость по Роквеллу, объяснить чем проводятся испытания на твердость по Бринеллю и по

Роквеллу по шкалам А, В и С, возможны неточности в выводах.

- Репродуктивный - оценка «удовлетворительно» - работу выполнить в объеме на «3»,

обучающемуся уметь самостоятельно рассчитать твердость по Бринеллю (НВ), возможны

неточности

в

объяснении

чем

проводятся

испытания

на

твердость

по

Бринеллю

и

по

Роквеллу по шкалам А, В и С, выводы по результатам лабораторной работы делать не надо.

10

Тема 1.1.1 Атомно-кристаллическое строение металлов.

Методы исследования и испытания металлов и сплавов

Задание для выполнения

Лабораторной работы №2

тема «Испытание на растяжение»

Цель работы: Ознакомиться с проведением испытания на растяжение и определением

показателей прочности и пластичности.

Приборы, материалы и инструмент:

Для

проведения

работы

необходимо

иметь

разрывную

испытательную

машину,

образцы для испытания на растяжение; штангенциркуль; микрометр 0—25 мм линейку с

делениями; бумагу для записи диаграммы.

Для

испытания на

растяжение

применяют цилиндрические

или плоские

образцы

(рис.1). По ГОСТ 1497—61 рекомендуется применять цилиндрические образцы. На рабочей

части образцов не должно быть следов механической обработки, забоин и других дефектов,

образцы должны быть без кривизны и закалочных трещин.

h — длина головки, при помощи которой образец закрепляется в захват машины; l

0

—

начальная расчетная длина образца;

R — радиус закругления переходной части;

d

0

— начальный диаметр рабочей части цилиндрического образца;

а

0

— начальная толщина рабочей части плоского образца;

b

0

— начальная ширина рабочей части плоского образца;

L — общая длина образца

Рисунок 1- Стандартный образец для

испытания на растяжение

Для испытания на растяжение применяется разрывная машина ИМ-4Р.

Таблица 1- Испытание металла на растяжение

№

Диаметр

образца до

испытания

d

0

, мм

Площадь образца до

испытания

4

2

о

о

d

А







мм

2

Диаметр

образца

после

испытания,

d, мм

Площадь образца

после испытания

4

2

d

А







мм

2

Относительное

сужение

Первоначальная

длина образца

l

0

, см

Конечная

длина

образца

l, см

Абсолютное

удлинение

cм

l

l

l

o







Относительное

удлинение

%

100







o

l

l



1

2

3

1.1 Основы металловедения

11

Среднее значение





Сталь 20 ГОСТ 1050-89

%,

25





55





%, НВ156

Вывод:

Рисунок 2 - Малогабаритная разрывная испытательная машина ИМ – 4Р

Малогабаритная

разрывная

испытательная

машина

предназначена

для

статических испытаний образцов плоских сварных соединений на растяжение, изгиб с

наибольшей предельной нагрузкой 50 тонн.

Эта гидравлическая испытательная машина с торсионным силоизмерением имеет два

диапазона измерения нагрузок.

Малогабаритная разрывная испытательная машина РМ-50 может быть применена в

стационарных

и

передвижных

лабораториях

контроля

качества

сварных

соединений

на

строительстве магистральных трубопроводов.

Таблица 2 – Определение прочности сварного шва

N п/п

D, мм

d, мм

Площадь

2

2

2

),

(

4

мм

d

D

А









Нагрузка

F, кН

Предел

выносливости

материала

мПа

A

F

в

,





1

2

3

Среднее значение



Стандартное

значение

для

стали

Ст20

мПа

в

420





;

мПа

т

250





Построить диаграмму растяжения стали Ст20, придерживаясь масштаба.

Вывод:

_______________________________________________________________________________

12

Лабораторная работа выполняется в строгом соответствии с алгоритмом, изложенным в

методическом

пособии

для

выполнения

лабораторных

работ

по

дисциплине

ОП.05

«Материаловедение».

Дифференцированные по сложности задания:

- Продвинутый – оценка «пять» - работу выполнить в полном объеме; самостоятельно

произвести необходимые расчеты, построить диаграмму растяжения стали Ст20 и объяснить,

что

происходит

с

образцом

на

каждом

этапе;

объяснить,

чем

отличаются

диаграммы

растяжения пластичных и хрупких материалов, по результатам лабораторной работы сделать

правильные выводы.

- Продуктивный - оценка «хорошо» - работу выполнить в полном объеме, самостоятельно

произвести необходимые расчеты, построить диаграмму растяжения стали Ст20 и объяснить,

что происходит с образцом на каждом этапе; но не может точно объяснить, чем отличаются

диаграммы

растяжения

пластичных

и

хрупких

материалов;

возможны

неточность

в

лабораторной работе сделаны не все правильные выводы.

- Репродуктивный - оценка «удовлетворительно» - работу выполнить в объеме на «3»,

самостоятельно произвести необходимые расчеты, построить диаграмму растяжения стали

Ст20; выводы по лабораторной работе делать не надо.

13

Тема 1.1.1 Атомно-кристаллическое строение металлов.

Методы исследования и испытания металлов и сплавов

Задание для выполнения

Лабораторной работы №3

тема «Изучение методики испытания материалов на ударный изгиб. Определение ударной

вязкости металлов»

Цель работы: ознакомиться с методикой определения ударной вязкости металлов.

Приборы, материалы и инструмент:

для проведения работы необходимо иметь маятниковый копер; образцы для испытания на

ударную вязкость; штангенциркуль; шаблоны.

Определение ударной вязкости:

Испытание

на

ударную

вязкость

основано

на

разрушении

образца

с

надрезом

посередине одним ударом маятника массой Р, падающего с определенной высоты Н. При

падении

он

разрушает

образец

и

поднимается

на

высоту

h.

Работа

А

н

,

Дж

(кгс∙м),

затраченная на разрушение образца, определяется по формуле:

где l - длина маятника, т. е. расстояние от его оси до центра тяжести, м;

α и β— углы подъема маятника соответственно до и после излома образца в градусах.

Ударная

вязкость

А

н

;

Дж/м

2

(кгс∙м/см

2

),

т.е

работа,

затраченная

на

разрушение

образца

А

н

,

отнесенная

к

площади

поперечного

сечения

образца

в

месте

надреза

F

определяется по формуле:

F

А

КСИ

н



Рисунок

1-

Схема

испытания

на

Рисунок

2-

Образец

для

испытания

на

ударную вязкость ударную вязкость

Таблица №1- Определение ударной вязкости

№ опыта

Площадь поперечного

сечения F, см

2

Работа удара А

н

,

кг∙ м

Ударная вязкость ,

F

А

КСИ

н



кг ∙м /см

2

1

2

3

Среднее значение

Стандартные значения для стали Ст 20 КСИ = 9 кг∙ м / см

2

1.1 Основы металловедения

14

Вывод:

Испытания

проводятся

для

металлов

согласно

ГОСТ

9454-84;

для

пластмасс

-

согласно ГОСТ 4647-84.

Металлы испытываются на копрах с предельной энергией маятника до 300 Нм и

скоростью в пределах от 4 до 7 м/с, пластмассы - до 5 Нм и

5

,

0

5

,

3



м/с, соответственно.

Рисунок 3 - Схема маятникового копра

Описание установки для испытаний:

Испытание на ударную вязкость проводится на маятниковом копре ХР-05, схема

которого

показана

на

рис.

3.

Копер

состоит

из

массивного

основания

1

с

двумя

вертикальными стойками 2. К верхней части этих стоек на горизонтальной оси подвешен

маятник 3, представляющий собой плоский стальной диск с вырезом. Кроме того, на оси

маятника установлена стрелка 4, напротив которой к стойке 2 прикреплена шкала 5 для

отсчета затрат энергии на разрушение образца. Для фиксации маятника в исходном верхнем

положении предусмотрена защелка 6.

На стойках 2 предусмотрены опоры 7 для установки образцов 8 из испытуемого

материала. Расстояние между опорами 7 регулируется в пределах от 40 до 70 мм (см. рис.3,

а).

Для

образцов

толщиной

5

мм

и

менее,

расстояние

между

опорами

7

принимают

2

,

0

40



мм, а для образцов толщиной более 5 мм –

2

,

0

70



мм.

При проведении испытаний маятник 3 поднимают вверх и фиксируют защелкой 6.

Стрелку 4 устанавливают на нуль, а на опоры 7 помещают испытуемый образец 8. Затем,

повернув защелку 6, отпускают маятник 3, который при своем падении разрушит образец и

двигаясь далее, переместит стрелку 4 по шкале 5, на которой считывают величину энергии,

сохраненной

маятником

после

разрушения

образца.

Образец

устанавливают

на

нижних

опорах копра симметрично относительно опор и так, чтобы надрез был обращен в сторону,

противоположную направлению удара.

Образцы

для

испытаний

на

ударную

вязкость

изготавливают

механической

обработкой из листов, плит или стержней; а также прессованием; или литьем под давлением.

При

испытании

листовых

и

слоистых

материалов

толщиной

менее

10

мм

ширину

поперечного сечения образцов принимают равной толщине этих листов. На образцах следует

указать направление, соответствующее длине листа или плиты, из которых изготовлены эти

образцы, так как механические свойства пластмасс в различных направлениях неодинаковы.

15

Образцы, изготовленные литьем под давлением, в соответствии с ГОСТ 4647 – 84

имеют размеры поперечного сечения (

2

,

0

6



) х (

2

,

0

4



) мм и длину -

1

55



мм.

Поверхность образцов должна быть гладкой, ровной, без трещин, сколов, вздутий и

раковин.

Форма надреза стандартных образцов может быть в виде U, V, T.

Согласно ГОСТ 9454-78 в качестве основного используется образец с U-образным

надрезом, но в отдельных случаях применяются также образцы и с другой формой надрезов.

V-образный выполняется с углом при вершине 45

0

и радиусом закругления 0,25 мм, а роль T-

образного

надреза

играет

созданная

на

специальном

приборе

усталостная

трещина.

В

соответствии с этим при записи ударной вязкости (КС) в ее обозначение вводится третья

буква, указывающая вид надреза – KCU, KCV, KCT.

Испытание

на

ударную

вязкость

проводят

потому,

что

детали

машин

часто

подвергаются ударным нагрузкам в процессе эксплуатации.

Ударная вязкость – это отношение работы маятника W, затраченной на ударный

излом (изгиб) образца, к площади его поперечного сечения S

0

в месте надреза.

0

S

W

KC







2

/ м

Дж

По ударной вязкости определяют склонность Ме к хрупкости при условиях низких

температур, т. е. хладноломкость.

Для этого готовят серию образцов и при разных температурах (от комнатной до - 100 °С)

проводят испытание.

Температура, а при которой происходит переход металла от вязкого разрушения к

хрупкому, называется порогом хладноломкости.

______________________________________________________________________

Лабораторная работа выполняется в строгом соответствии с алгоритмом, изложенным в

методическом

пособии

для

выполнения

лабораторных

работ

по

дисциплине

ОП.05

«Материаловедение».

Дифференцированные по сложности задания:

- Продвинутый – оценка «пять» - работу выполнить в полном объеме; самостоятельно

произвести

необходимые

расчеты;

объяснить,

как

и

для

чего

проводят

испытание

на

ударную

вязкость,

что

такое

«ударная вязкость»;

по

результатам

лабораторной

работы

сделать правильные выводы.

- Продуктивный - оценка «хорошо» - работу выполнить в полном объеме, самостоятельно

произвести необходимые расчеты; объяснить, как проводят испытание на ударную вязкость,

что такое «ударная вязкость»; возможны неточности в выводах по результатам лабораторной

работы.

- Репродуктивный - оценка «удовлетворительно» - работу выполнить в объеме на «3»;

произвести необходимые расчёты; объяснить что такое

«ударная вязкость»;

выводы по

результатам лабораторной работы делать не надо.

16

Практическая работа

Тема 1.1.2 Основы теории сплавов

Задание для выполнения

Практической работы №1

Анализ диаграммы фазового равновесия сплавов системы F

e

- F

e3

C

Практическая работа выполняется в строгом соответствии с алгоритмом, изложенным в

методическом

пособии

для

выполнения

практических

работ

по

дисциплине

«Материаловедение».

Цель работы:

1.

Изучение диаграммы состояния железо-цементит.

2.

Анализ превращений, происходящих в сплавах этой системы при образовании фаз

и структур.

3.

Определение состава и весового количества фаз при заданных температурах.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ:

Железоуглеродистые

сплавы

–

стали

и

чугуны,

находят

широкое

применение

в

различных отраслях промышленности. Основными компонентами сталей и чугунов являются

железо и углерод. Наряду с основными компонентами в этих сплавах имеются постоянные

технологические

примеси, которые

оказывают

существенное

влияние на их

свойства

и

формирование структуры. Фазовый состав и структура промышленных сплавов, полученных

при медленном охлаждении до комнатной температуры, хорошо согласуются с диаграммой

состояния железо-углерод.

Углерод может находиться в равновесии с жидкой фазой и с твердыми растворами на

основе железа

в виде цементита (метастабильное равновесие) или графита (стабильное

равновесие) в зависимости от внешних условий. Это обстоятельство определяет два варианта

диаграммы

состояния

железо-углерод.

Большее

практическое

значение

имеет

метастабильная диаграмма состояния. С помощью этой диаграммы объясняют не только

превращения, происходящие в сталях и белых чугунах. Диаграмма является основой для

выбора оптимальных режимов термообработки железоуглеродистых сплавов.

Рисунок 1 - Диаграмма состояния железо-углерод

Железо-металл

сероватого

цвета.

Атомный

номер

26,

атомная

масса

55,85,

температура плавления железа 1539

0

С. Железо имеет две полиморфные модификации α и γ.

α- железо существует при температуре ниже 910

0

С.

1.1 Основы металловедения

17

Кристаллическая решетка α-железа – объемно-центрированный куб с периодом

решетки

0,286 нм.

До

температуры

768

0

С,

соответствующую

переходу

α-

железа

из

ферромагнитного состояния в парамагнитное, называют точкой Кюри.

γ–железо

существует

в

интервале

температур

910-1392

0

С;

оно

парамагнитно.

Кристаллическая решетка γ–железа – гранецентрированная кубическая.

Углерод

–

неметаллический

элемент,

атомный

номер

6;

плотность

2,5

г/см

3

;

температура

плавления

3500

0

С.

Углерод

растворим

в

железе

в

жидком

и

твердом

состояниях,

а

также

может

быть

в

виде

химического

соединения

–

цементита,

а

в

высокоуглеродистых сплавах - в виде графита.

В системе Fe – Fe

3

С различают следующие фазы: жидкий раствор, твердые растворы –

феррит и аустенит, а также цементит.

К структурным составляющим в системе Fe – Fe

3

С относятся жидкий раствор, феррит,

аустенит, ледебурит, перлит, а также цементиты – первичный, вторичный и третичный.

Аустенит

–

твердый

раствор

внедрения

углерода

и

др.

примесей

в

γ–

железе.

(Предельная растворимость углерода в γ- железе – 2,14%).

Ледебурит

–

эвтектический

сплав,

представляющий

собой

механическую

смесь

кристаллов аустенита и цементита.

Перлит

–

механическая

смесь

чередующихся

пластинок

феррита

и

цементита,

образующихся при распаде аустенита во всех сплавах системы с концентрацией углерода

более 0,02% при t = 727

0

С.

Сталь – железоуглеродистый сплав, содержащий от 0,02% до 2,14% углерода.

Стали доэвтектоидные – содержание углерода не превышает 0,8%.

Стали заэвтектоидные – содержание углерода составляет 0,8-2,14 %.

Стали эвтектоидные – содержание углерода 0,8%.

Феррит – твердый раствор внедрения углерода и др. примесей в α- железе. Различают

низкотемпературный

α-

феррит

с

растворимостью

углерода

до

0,02%

и

высокотемпературный δ – феррит с предельной растворимостью углерода 0,1%.

Цементит – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа Fe

3

С, с

концентрацией углерода 6,67%.

Чугун – железоуглеродистый сплав, содержащий более 2,14% углерода.

Чугуны белые - чугуны, кристаллизирующиеся подобно углеродистым сталям по

метастабильной диаграмме состояния Fe – Fe

3

С (углерод находится в химически связанном

состоянии в виде цементита; имеет белый блестящий излом).

Чугуны доэвтектические – содержание углерода составляет 2,14 – 4,3%.

Чугуны заэвтектические – содержание углерода > 4,3%.

Чугуны эвтектические – содержание углерода равно 4,3%.

Рассмотрим области диаграммы состояния железо – цементит, которые отвечают

равновесным состояниям сплавов системы, и основные фазовые превращения.

Однофазные области диаграммы состояния Fe – Fe

3

С:

жидкая фаза L – все сплавы выше линии ликвидус АВСД;



феррит

Ф:

высокотемпературная

область

–

левее

линии

АНN;

низкотемпературная область – левее линии GPQ



аустенит А – ограничена линией NIESG;



цементит Ц – вертикальная линия DFKL .

В двухфазных областях в равновесии находятся:



жидкий раствор и кристаллы феррита (ABH)



кристаллы феррита и аустенита (HIN и GSP);



жидкий раствор и кристаллы аустенита (IBCE);



жидкий раствор и аустенит (CDF);



кристаллы аустенита и цементита (SECFK);



кристаллы феррита и цементита (QPSKL).

18

Горизонтальные

линии

на

диаграмме

состояния

железо-цементит

отвечают

трехфазовым равновесным состояниям сплавов:



при t = 1499

0

С (линия HIB) в сплавах с концентрацией углерода от 0,1 до

0,51

%

происходит

перитектическое

превращение

в

результате

взаимодействия кристаллов феррита с жидким раствором:

L

(B)

+ Ф

(H)

→ A

(I )



при t = 1147

0

С (линия ECF) в сплавах с концентрацией углерода от 2,14 до

6,67% происходит эвтектическое превращение:

L

(С)

+ А

(Е)

→ Ц (ледебурит)



при t= 727

0

С (линия РSK) в сплавах системы с концентрацией углерода

более 0,02% происходит эвтектическое превращение, заключающееся в

распаде

аустенита

на

дисперсную

механическую

смесь

чередующихся

пластинок феррита и цементита:

А

(S)

→ Ф

(Р)

+ Ц (перлит)

Составы и количества фаз в системе железо-цементит можно определить с помощью

правила

отрезков.

На

примере

условной

диаграммы

состояния

бинарной

системы,

состоящей

из

компонентов

А

и

В,

рассмотрим

принцип

расчета

количественного

соотношения фаз для двухфазной области приведенной диаграммы. Для этого через точку

α на фигуративной линии сплава необходимо провести горизонтальную линию (коноду)

до

пересечения

с

ближайшими

линиями

(точки

b

и

с).

Проекция

точки

b

на

ось

концентраций покажет процентное содержание компонентов в области слева от точки b,

проекция точки с – процентное содержание компонентов в области справа от точки с.

Весовое количество фаз определится из соотношения отрезков коноды:

Фаза 1 = ас * 100%

bс

Фаза 2 = аb * 100%

bс

Рисунок 2 - Пример расчета состава фаз с

помощью отрезков

Анализ структурного состава

Формирование структур в сплавах можно изучить, анализируя по диаграмме процессы,

происходящие

в

них

при

охлаждении

или

нагреве.

Рассмотрим

области

диаграммы,

которые отвечают равновесным состояниям сплавов системы. В процессе эвтектического

превращения жидкий раствор затвердевает в виде ледебурита Л.

19

Во всех сплавах системы с концентрацией углерода более 0,02% при температуре 727

0

С

(линия

PSK)

происходит

эвтектоидное

превращение,

причиной

которого

является

полиморфное превращение Feγ→Feα. В результате эвтектоидного превращения происходит

распад аустенита, приводящий к образованию перлита П.

Цементит может образовываться из жидкой и твердой фаз при различных температурах.

Цементит,

выделяющийся

из

жидкой

фазы,

называют

первичным,

из

аустенита

–

вторичным, а из феррита – третичным.

Рисунок 3 - Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве II при медленном

охлаждении

Проследим за формированием структуры сталей с содержанием углерода 1,5% при их

медленном охлаждении с 1600

0

С. Критические точки, соответствующие температурам

превращений,

показаны

на

фигуративных

линиях.

Схема

структур

и

состав

фаз

и

структурных составляющих для рассматриваемого случая приведены на рис.

До температуры 1450

0

С (точка 3; область 1-3) сталь с 1,5% углерода находится в

жидком состоянии.

При t = 1450

0

С начинается процесс кристаллизации стали. В интервале температур

1450 – 1250

0

С (точки 3,4; область 3-4) в сплаве сосуществуют две фазы: жидкий раствор и

аустенит.

В интервале температур 1250-950

0

С (область 4 – 1) сплав охлаждается, не претерпевая

никаких превращений; состав сплава представлен аустенитом.

При охлаждении сплава ниже 950

0

С (точка 1) аустенит с концентрацией углерода

1,5% становится пересыщенным. Избыточный углерод из зерен аустенита диффундирует к

их границам и здесь выделяется в виде цементита вторичного.

Концентрация углерода в аустените при охлаждении сплава от 950 до 727

0

С (область

1-2) изменяется согласно линии ES от точки 1 к точке S:

А

(1-S)

950 – 727

0

С Ц

III

20

Схема структур и состав фаз и структурных составляющих

При температуре 727

0

С (точка 2) в сплаве происходит эвтектоидное превращение, в

результате которого образуется перлит П.

Ниже температуры 727

0

С растворимость углерода в феррите уменьшается (линия PQ).

В связи с этим избыточный углерод из феррита выделяется в виде цементита третичного (

Ц

III

) (область 2-5).

В

качестве

примера

рассмотрим

расчет

весового

количества

структурных

составляющих в заэвтектоидной стали с 1,5% углерода при 600

0

С с помощью правила

отрезков.

Содержания структурных составляющих определяются последовательно по мере их

образования в процессе охлаждения сплава с применением правила отрезков для двух

сосуществующих фаз или структурных составляющих.

Весовая доля цементита вторичного определяется его количеством, выделившимся в

интервале температур 950-727

0

С (точки 1 и 2).

Количество цементита вторичного можно определить из соотношения отрезков S – 2 и

S – К (727

0

С):

Ц

II

= S – 2 * 100% = 1,5 – 0,8 * 100% = 11,9%.

S – К

6,67-0,8

Количество

перлита,

образовавшегося

при

эвтектоидном

превращении

(727

0

С),

составит 100 – 11,9 = 88,1% от веса всего сплава. Концентрация углерода в феррите при

727

0

С соответствует 0,02 %, а в цементите – 6,67%. Соотношение фаз в эвтектоиде будет

следующим:

Ф = S – K * 100% = 6,67-0,8 * 100% = 88,2%;

Р – К

6,67-0,02

Ц = 100 – 88,2 = 11,8%.

Полученные значения пересчитаем по отношению к весу всего сплава:

Ф = 88,1*88,2 = 77,7%; Ц = 88,1 * 11,8 = 10,3%.

100 100

21

В процессе медленного охлаждения стали от t = 727

0

С растворимость углерода в

феррите

уменьшается,

в

результате

чего

избыточный

углерод

выделяется

в

виде

цементита

третичного.

Количество

цементита

третичного

можно

определить

из

отношения веса Ц

III

к весу феррито - цементитной смеси:

Ц

III

= Qr * 100 = 0,02 – 0,01 * 100 = 0,15%.

QL 6,67 – 0,01

Подсчитаем весовую долю Ц

III

по отношению к весу всего сплава, который выделился

из феррита эвтектоида:

Ц

III =

77,7 * 0,15 = 0,1%

100

В результате выделения Ц

III

относительный вес феррита эвтектоида уменьшится на

0,1% и будет равен 77,7 – 0,1 = 77,6%.

Таким

образом,

в

заэвтектоидной

стали

(1,5%

С)

при

600

0

С

структурные

составляющие по отношению к весу сплава распределяются так:

перлит (Ф + Ц) = 77,6 + 10,3 = 87,9%;

цементит вторичный Ц

II

– 11,9 %;

цементит третичный Ц

III

- 0,1 %.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:

1.

Вычертить диаграмму состояния Fe – Fe

3

C c указанием температур превращений и

концентраций углерода характерных точек.

2.

Указать фазы и структурные составляющие в различных областях диаграммы.

3.

Определить составы и весовое количество (%) фаз и структурных составляющих

при температурах для варианта, указанного преподавателем.

22

Примерный перечень вариантов индивидуальных заданий:

Номер

варианта

Содержание

углерода, %

Температура,

0

С

Номер

варианта

Содержание

углерода, %

Температура,

0

С

1

0,05

820

16

1,6

900

700

600

2

0,12

1480

17

2,3

1200

650

800

3

0,16

1520

18

2,5

1300

600

600

4

0,20

1470

19

2,8

1250

650

800

5

0,35

1520

20

3,0

1200

700

1000

6

0,40

750

21

3,5

1200

600

600

7

0,50

1470

22

3,8

1170

650

850

8

0,60

750

23

4,2

1150

600

800

9

0,80

1450

24

4,5

1150

650

700

10

1,0

1400

25

5,0

1200

600

1000

11

1,2

760

26

5,5

1300

700

600

12

1,4

800

27

6,0

1400

650

800

13

1,5

750

28

6,2

1250

700

900

14

1,8

850

29

6,5

1100

800

950

15

2,0

900

30

6,6

1400

1000

1100

23

24

Критерии оценки:

- Продвинутый – оценка «пять» - работу выполнить в полном объеме; самостоятельно

произвести необходимые расчеты; указать фазы и объяснить структурные превращения,

происходящие

в

различных

областях

диаграммы;

объяснить

и

указать

температуры

превращений и концентраций углерода по характерным точкам, а также определить состав и

весовое количество фаз и структурных составляющих при температурах в зависимости от

варианта; по результатам практической работы сделать правильные выводы.

- Продуктивный - оценка «хорошо» - работу выполнить в полном объеме, самостоятельно

произвести необходимые расчеты; указать фазы и объяснить структурные превращения,

происходящие в различных областях диаграммы; возможны неточности в объяснениях и

указании температуры превращений и концентраций углерода по характерным точкам, а

также в определении состава и весового количества фаз и структурных составляющих при

температурах в зависимости от варианта; возможны неточности в выводах по практической

работе.

- Репродуктивный - оценка «удовлетворительно» - работу выполнить в объеме на «3»;:

произвести необходимые расчеты;; студент испытывает трудности в определении фаз и

объяснении структурных превращений, происходящих в различных областях диаграммы;

студент путается в объяснениях и указании температуры превращений и концентраций

углерода по характерным точкам, а также в определении состава и весового количества фаз и

структурных

составляющих

при

температурах

в

зависимости

от

варианта;

выводы

по

практической работе делать не надо.