Текст книги "Лабораторный практикум по материаловедению"

Ю.Н. Безбородов, Р.Н. Галиахметов, И.А. Чалкин
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЮ

Условные обозначения и сокращения

δ_в – временное сопротивление (предел прочности при разрыве)

δ_в° – предел прочности при сжатии

δ_и – предел прочности при изгибе

τ_пч – предел прочности при кручении

δ_х – предел текучести физический (нижний предел текучести)

δ 0,05 – условный предел упругости с допуском на остаточную деформацию 0,05 %

δ 0,2 – предел текучести условный с допуском на величину пластической деформации при нагружении 0,2 %

δ_р – относительное равномерное удлинение

δ – относительное удлинение после разрыва

ψ – относительное сужение после разрыва

КСU – ударная вязкость, определенная на образцах с концентратором вида U

KCV – ударная вязкость, определенная на образцах с концентратором вида V

Т_к – критическая температура хрупкости

НВ – твёрдость по Бринеллю

d10 – диаметр отпечатка по Бринеллю при диаметре шарика 10 мм и испытательной нагрузке 2943 Н

HRA – твёрдость по Роквеллу (шкала А, конусный наконечник с общей нагрузкой 588,4 Н)

HRB– твёрдость по Роквеллу (шкала В, сферический наконечник с общей нагрузкой 980,7 Н)

HRC – твёрдость по Роквеллу (шкала С, конусный наконечник с общей нагрузкой 1471 Н)

HV– твёрдость по Виккерсу при нагрузке 294,2 Н и времени выдержки от 10 до 15 с

HSD– твёрдость по Шору

Т_а– заданный ресурс

δ'_дп,Т_э – условный предел длительной прочности (величина напряжений, вызывающая разрушение при температуре и заданном ресурсе)

δ-1 – предел выносливости при симметричном цикле (растяжение – сжатие)

τ-1 – предел выносливости при симметричном цикле (кручение)

δ_а – наибольшее положительное значение переменной составляющей цикла напряжений

∆ε – размах упруго-пластической деформации цикла при испытании на термическую усталость

N – число циклов напряжений или деформаций, выдержанных нагруженным объектом до образования усталостной трещины определённой протяжённости или до усталостного разрушения

δ₀ – начальное нормальное напряжение при релаксации

δ_х – остаточное нормальное напряжение при релаксации

К_с– коэффициент интенсивности напряжений

Ac₁ – температура начала превращения при нагреве (нижняя критическая точка)

Ас₃ – температура конца превращения при нагреве (верхняя критическая точка)

An – температура конца превращения при охлаждении (нижняя критическая точка)

Аr₃ – температура начала превращения при охлаждении (верхняя критическая точка)

М_н – температура начала мартенситного превращения

М_к – температура конца мартенситного превращения

G – модуль сдвига

v – коэффициент Пуассона

γ – плотность

С – удельная теплоёмкость

λ – теплопроводность

α – коэффициент линейного расширения

H – напряженность магнитного поля

μ – магнитная проницаемость

В – магнитная индукция

B_s – индукция насыщения

∆В – разброс магнитной индукции вдоль и поперек направления прокатки

P_B – удельные магнитные потери

Н_с – коэрцитивная сила

р – удельное электросопротивление

К_р – красностойкость

t_лик –температура полного расплавления металла

t_сол – температура начала плавления металла

d₀ – начальный диаметр образца

l₀ – длина расчётной части образца

V – скорость деформирования образца

έ – скорость деформации образца

d – толщина оправки при испытании листов на изгиб

S – толщина стенки

Сl' – хлор-ион

F' – фтор-ион

Ʃ – коэффициент износостойкости при абразивном износе

Ʃ_г – коэффициент износостойкости при гидроабразивном износе

v – скорость резания

K_v– коэффициент относительной обрабатываемости

Т – время

t – температура

t_отп – температура отпуска

t_исп – температура испытания

АЭУ – атомная энергетическая установка

АЭС – атомная энергетическая станция

ТЭС – тепловая электростанция

ВВЭР – водо-водяной энергетический реактор

ВТГР – высокотемпературный гелиево– охлаждаемый реактор

ГТЭ – газотурбинные энергетические установки

ГТН – газотурбинный насос

ВДП – вакуумнодуговой переплав

ЭШП – электрошлаковый переплав

ЭТС – электротехнические стали

ТРС – транспортные стали

ТВЧ – ток высокой частоты

ТПЧ – ток промышленной частоты

КП – категория прочности

КР – коррозионное растрескивание

ПК – питтинговая коррозия

PI – питтинговый индекс

МКК – межкристаллитная коррозия

AM, АМУ, ВУ, ДУ – условные обозначения методов определения стойкости к межкристаллитной коррозии по ГОСТ 6032–89

Гелий ВЧ – гелий высокочистый

НД – нормативная документация

ГСССД – государственная служба стандартных справочных данных

ГОСТ – государственный стандарт

ОСТ – отраслевой стандарт

ТУ – технические условия

РТМ – руководящие технические материалы

ДЦ – данные НИИТМАШ

АДБ – автоматизированый банк данных.

Введение

Материаловедением называют науку, изучающую взаимосвязь между составом, строением и свойствами материалов.

Развитие материаловедения необходимо для решения важнейших технических 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 экспериментальным путем. Поэтому разработка новых методов исследования строения (структуры) и физико-механических свойств материалов способствует дальнейшему развитию материаловедения.

Курс «Материаловедение» включает две самостоятельные части:

1) металловедение и термическая обработка металлов;

2) неметаллические материалы (полимеры, керамика, стекло, резина, древесина и т. д).

В книге приведены лабораторные работы по курсу «Материаловедение» для студентов машиностроительных специальностей.

Цель практикума – научить будущих специалистов лучше ориентироваться в выборе материалов для деталей машин и конструкций.

Нормы и стандарты

Стандартом называется документ, в котором устанавливаются характеристики продукции, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации, выполнения работ. Работа по стандартизации проходит на различных уровнях. Это в основном международные организации по стандартизации, например ASTM (Американское общество по испытанию и материалам), AFNOR (Французская ассоциация по стандартизации), DIN-норма (Немецкий институт стандартизации). Следует различать стандарты качества, испытаний и понятий.

Стандарты качества. С помощью стандартов качества обеспечиваются одинаковые свойства материалов независимо от времени и места их изготовления. Большая часть работы по стандартизации осуществляется специально основанными международными и национальными организациями. Наряду с этим нормы качества устанавливают научно-технические объединения, экономические организации, а также учреждения (ведомства). Эти нормы называются предписаниями, директивами или бюллетенями. Заводские стандарты и согласования между изготовителем и потребителем имеют цель специфицировать определенные свойства.

Обозначение материалов цифрами и буквами. Обозначение стали (деформируемые сплавы железа), а также материалов из чугунного литья происходит в основном по правилам бюллетеня стандартов DIN 17006. Подобное обозначение материала включает данные об изготовлении (вид плавки, особые свойства), химическом составе и обработке (гарантийный объем, состояние обработки и достигаемая прочность). Обозначение цветных металлов осуществляется по правилам бюллетеня стандартов DIN 1700.

Обозначение стали. Подразделение сталей может происходить по степени их чистоты, а также цели применения. По степени чистоты различаются сталь для профилей широкого применения, качественные и высококачественные (специальные) стали.

Качественные и высококачественные стали подвергаются, как правило, термообработке (закалка, дисперсионное твердение), направленной на получение определенных значений прочности. Высококачественная сталь отличается от качественной стали дополнительными признаками качества (меньшее содержание серы и фосфора).

По цели применения стали делятся на конструкционные и инструментальные. Конструкционная сталь, в свою очередь, подразделяется на общую конструкционную, для термообработки, а также автоматную, рессорно-пружинную, клапанную, подшипниковую, для болтов, коррозионно-стойкую, нестареющую, листовую (для глубокой вытяжки, окантовки, пробивки) и т. д. Инструментальная сталь подразделяется на нелегированную, легированную, высоколегированную инструментальную сталь, инструментальную сталь для обработки резанием и давлением, жаропрочную, быстротвердеющую и твердые сплавы.

Обозначение сталей происходит по трем главным группам: нелегированная, легированная и высоколегированная сталь.

Нелегированные стали. К нелегированным сталям относятся все виды сталей, у которых содержание примесей не превышает следующие установленные максимальные границы, %:

Нелегированная конструкционная сталь (конструкционная сталь профилей широкого применения). Конструкционные стали подразделяются по наименьшему пределу прочности при растяжении.

Обозначение

П ример

У мелкозернистых сталей подразделение происходит по минимальному пределу текучести. Характеристика мелкозернистых сталей происходит путем вставки буквы "Е" после сокращения St.

Обозначение

группа материала

Сталь для специальных целей, например сталь для динамомашин и для трансформаторов, термобиметаллы (ТВ), сплавы для постоянных магнитов и материалы для реле (R) маркируются специально.

Нелегированная качественная сталь. Нелегированные качественные стали отличаются особыми свойствами, например способностью к глубокой вытяжке, пригодностью к обработке на автоматах или нечувствительностью к хрупкому излому.

Обозначение

группа материала

Обозначение

Пример

C80W1

Для областей специального использования существуют характеристики, отличающиеся от систематики. Для проволоки заменяется, например, С на D, листы для котлов будут обозначаться от HI до HIV.

Нелегированная высококачественная сталь. Эти виды стали отличаются по сравнению с качественной сталью более высокой чистотой. Особые признаки качества выражаются маленькими буквами после знака С.

Обозначение

Пример

Легированная сталь. Легированной сталью называется сталь, у которой общее содержание легирующих элементов составляет < 5 %.

Обозначение

Химический символ для углерода отпадает. Химические символы приведенных легирующих элементов расположены в последовательности их содержания (при одинаковом содержании в алфавитном порядке). Для обозначения стали приведены только элементы и нумерация, которые необходимы для определенной характеристики и отличия от других видов стали. Соответствующая последующая цифра о содержании легирующих элементов относится к соответствующему легирующему элементу. Если отсутствует данное число (цифра), то содержание легирующего элемента незначительно. Для определения содержания легирующих элементов в процентах (по массе) цифра умножается на определенный коэффициент:

Со, Cr, Mo, Ni, Si, W ............................................................................... 1/4

Al, Be, Cu, Mo, Nb, Та, Ti, V, Zr, Pb....................................................... 1/10

P, S, N, C, Ce............................................................................................. 1/100

Пример

Высоколегированная сталь. Высоколегированной сталью называется сталь, у которой общее содержание легирующих элементов составляет > 5%.

Характеристика происходит аналогично характеристике легированной стали за исключением того, что, кроме углерода, указываются все легирующие элементы с их фактическим содержанием. Чтобы избежать ошибки, перед характеристикой стоит знак X.

Примеры

Дополнительные характеристики стали.

Данным о химическом составе и прочности может предшествовать производственная часть и затем следовать часть по обработке.

Обозначение

Производственная часть может содержать данные о видах плавки, а также возникающих при этом свойствах. При современном производстве стали практически учитывается только еще способ продувки кислородом и производство в электропечи (преимущественно в электродуговой печи). Сталь, изготовленная продувкой кислородом сверху (LD-способ) и сквозной продувкой кислородом (ОВМ-способ), соответствует SM-качеству с обозначением М. Особые обозначения стали применяются еще только для электростали (Е) и стали, выплавленной в вакуумной печи (V) (табл. 1). Ради полноты упомянем дополнительные обозначения, содержащиеся еще в стандарте, хотя они частично очень устарели, например пудлинговая и сварочная стали, которые практически не применяются с прошлого века.

Таблица 1

Группы материалов

Часть по обработке включает гарантийный объем, обеспечиваемый изготовителем, состояние обработки, а также достигнутую при этом прочность (табл. 2). Если при этом должна быть указана минимальная величина прочности без указания определенного состояния обработки, то перед прочностью ставится буква F.

Таблица 2

Группы материалов

Примеры

Обозначение материалов из чугунного литья. У материалов из чугунного литья характеристика осуществляется знаком литья G, который, как правило, связан с данными о виде литья. Простой знак G применяется только в особых случаях (например, при магнитных сплавах, высоколегированных материалах и т. д.). Все остальные данные нанесены на литейный знак с помощью черточки.

Чугун, ковкий чугун и стальное литье характеризуются минимальным пределом прочности при растяжении.

Обозначение

Знаки литья:

G : отливка

GG : серый чугун с шаровидным графитом

GGL : чугун с пластинчатым графитом

GH : отбеленный чугун

GS : стальное литье

GT : ковкий чугун (общий тип)

GTS : черный ковкий чугун

GTW: белый ковкий чугун

Дополнительные данные: К – кокильное литье (GGK), Z – центробежное литье (GGZ).

У отбеленного литья цифры от 0 до 50 за знаком литья GH обозначают толщину твердого внешнего слоя в миллиметрах, а цифры от 51 до 90 склероскопическую твердость по Шору. У жаропрочного стального литья за знаком литья следует указание состава как у стали.

Примеры

Обозначение цветных металлов. Цветными металлами называются все чистые металлы за исключением железа, а также все сплавы, в которых имеется железо не в качестве элемента с наибольшим отдельным содержанием. Цветные металлы с плотностью > 4,5 г/см³ причисляются к тяжелым металлам, цветные металлы с плотностью < 4,5г/см³– к легким металлам.

Чистые металлы обозначаются своими краткими символами и по нижнему пределу, и по чистоте.

Обозначение

Соответственно степени чистоты у цветных металлов маркировка может происходить в первичном металле (буква Н), чистом металле (нет маркировки) и в самом чистом металле (буква R). Маркировочные буквы иногда ставятся впереди (Mg, Ni), иногда позади (А1).

Для металлов Си и Ti правила следующие: у титана цифры от 1 до 6 присоединяются к химическому символу без штриха (дефиса) (например, Ti 1), причем цифра 1 «чище», чем цифра 6. У меди степень чистоты обозначается буквой от А до F, расположенной через дефис перед химическим символом (например, F–Си), причем F«чище», чем А. У электролитной меди (Е–Си) имеет решающее значение лишь электропроводность [Е–Си– 58; электропроводность в мягком состоянии, по крайней мере, 58,0 м/(Ом • мм²)]. Бескислородная медь обозначается с помощью предшествующего О (без раскислителя) или S [раскисленная фосфором (SW–Си: низкое остаточное содержание фосфора; SF–Си: высокое остаточное содержание фосфора)]. Катодная медь обозначается КЕ–Сu.

Примеры:

Сплавы цветных металлов. У сплавов цветных металлов обозначение происходит по металлу с наивысшей долей сплавов (основной металл) с добавлением литейного сплава или деформируемого сплава (легко поддающегося холодной обработке давлением).

Исключение составляет медь, здесь обозначение происходит по основному материалу и одному или двум легирующим металлам.

Обозначение

Таблица 3

Группы материалов

У большинства металлических сплавов химический символ основного металла чаще всего не имеет указания на процентное содержание, за ним следуют химические символы легирующих добавок. Составные части сплава указываются с полным процентным содержанием. У деформируемых сплавов отпадают буквенные обозначения для изготовления и применения.

Примеры

Стандартизация материалов с помощью номеров. Металлические материалы обозначаются семизначными числами и благодаря этому четко определяются. Охватываются все группы (а также неметаллические) материалов.

Обозначение

Главная группа материалов. Главная группа материалов разделяется на отдельные группы материалов от 0 до 9.

Внутреннее использование{ 9 : например, опытные сплавы.

Номер сортамента. У сортаментного номера речь идет о четырехзначном числе, у которого первые две цифры при главной группе материалов от 0 до 1 поясняют материал определенных сортовых классов. Последние две цифры являются чистыми числовыми номерами. У цветных сплавов деление происходит по основным металлам.

0,0000 – 0,2999 чугун

0,3000 – 0,4999 лигатуры (промежуточные сплавы)

0,5000 – 0,5999 запас, резерв

0,6000 – 0,6999 GGL (чугун с пластинчатым графитом)

0,7000 – 0,7999 GGG (чугун с шаровидным графитом)

0,8000 – 0,8999 GT (ковкий чугун)

0,8000 – 0,9999 специальное литье

1,0000 – 1,0999 сталь широкого применения и качественная сталь

1,1000 – 1,1999 нелегированная высококачественная сталь

1,2000 – 1,2999 инструментальная сталь

1,3000 – 1,3999 разный сортамент

1,4000 – 1,4999 химически устойчивые виды стали

1,5000 – 1,8999 конструкционная сталь

2,0000 – 2,1799 медь и сплавы меди

2,2000 – 2,2499 цинк, кадмий и сплавы кадмия

2,3000 – 2,3499 свинец и сплавы свинца

2,3500 – 2,3999 олово и сплавы олова

2,4000 – 2,4999 никель, кобальт и сплавы кобальта

3,0000 – 3,4999 алюминий и его сплавы

3,5000 – 3,5999 магний и его сплавы,

Дополнительные цифры. Место 6 и 7 номера материала образуют дополнительные числа. У главной группы материалов они из-за основного отличия в изготовлении и в применении в зависимости от области номеров сортамента имеют различное, а для соответствующей группы материалов единое значение. Для главной группы материалов 1 на позиции 6 устанавливается способ получения стали, а на позиции 7 установившееся (стационарное) состояние.

Для цветных сплавов дополнительные числа обобщены в 10 декад и дают сведения о соответствующем состоянии материала.

Y.YYYY.YY

0–0,9 не обработано

1–19 мягкий

20–29 с наклепом

30–39 с наклепом («твердый» и более)

40–49 с диффузионным отжигом (без последующей механической обработки)

50–59 с диффузионным отжигом (последующая обработка в холодном состоянии)

60–69 с дисперсионным твердением в горячем состоянии (без механической дообработки)

70–79 с дисперсионным твердением в горячем состоянии (последующая обработка в холодном состоянии)

80–0,9 свободно от напряжений (без предварительного наклепа)

90–99 специальная обработка

Нормы испытаний. С помощью норм испытаний устанавливаются условия испытания для обеспечения воспроизводимых и сравниваемых результатов. Необходимо соглашение о нормах испытаний, так как, например, прочность металлических деталей в значительной степени зависит от состояния материала (загрузка материала, положение в детали, положение для испытания, концентрация напряжений в надрезе, форма образца, состояние термообработки и т. д.), а также от внешних нагрузок (скорость нагружения, температура нагружения, окружающая среда, напряженное состояние и т. д.). Нормы испытаний охватывают при этом не только определение механических показателей, но простираются на все воспроизводимые применяемые способы испытаний, например коррозионные.

Построение норм испытаний. Построение норм испытаний иллюстрируется, как правило, на следующем примере.

Цель. Устанавливается цель нормированного опыта. При этом имеют место ссылки на уже установленные нормы (стандарты), а также параметры, которые могут оказать влияние на опыт (например, влияние толщины стенки у отливок).

Область применения (продолжительность). Здесь устанавливается область применения, а также продолжительность действия приведенной нормы испытания. При отклоняющейся форме пробы и условий испытаний и т. д. дается указание на надлежащий стандарт.

Понятия и знаки. Объясняются понятия и сокращения, требующиеся в рамках проводимого опыта. У механических характеристик приводится их размерность, а также выражения в виде формулы.

Форма и изготовление пробы. Изготовление пробы может установить уже выплавка основного материала (расплавление под вакуумом – расплавление на воздухе). Таким образом задается его металлургическая степень чистоты. Способом обработки (например, шлифование вдоль или перпендикулярно направлению прокатки) одновременно задается также качество поверхности (глубина шероховатости). Если пробы должны подвергаться термомеханической обработке, то предписываются параметры обработки (например, температура науглероживания и закалки, закалочная среда, отпуск, глубина цементации, содержание углерода в поверхностном слое, цементация и т. д.). Форма и величина пробы приводятся в соответствие с допусками и способом отбора проб.

Прибор (машина) для испытаний. Здесь описываются построение опыта, а при механических способах испытания допустимые конструкции и исполнение необходимой испытательной машины. Если нужно, то описывается крепление образца, принцип нагружения, создание и измерение нагрузки.

Проведение опыта. В проведении опыта описываются все граничные параметры, необходимые для соответствующего испытания, например температура испытания, сила испытания, длительность опыта, вид нагрузки, скорость деформации или нагрузки. Приводится определение измеряемых величин, а также проведение измерений, если необходимы исследования в специальной среде (например, коррозионные исследования).

Оценка результатов опыта. В обобщении устанавливается единый вид документации (например, диаграммы).

Акт испытания. Акт испытания содержит при указании на соответствующую норму состав всех результатов испытания. Наряду с результатами указываются все параметры испытания, необходимые для испытания и указанные выше. Применяемые в исключениях и отклоняющиеся от этой нормы условия испытания четко указываются в акте испытания.

Нормы понятий. Необходимость документировать результаты для того, чтобы обобщать систематически опыт различных центров исследования и сделать его доступным, заставляет прибегнуть к унифицированию. Это приводит к требованию соглашений о понятиях и содержании понятий. На основании множества существующих норм понятий следует ссылаться на DIN 50900, а также на VDI – директиву 3822. В DIN 50900 (части 1–3) изложены понятия коррозии металлов. Часть 1 отведена общим понятиям коррозии. Часть 2 объясняет электрохимические понятия коррозии, а часть 3 – понятия по исследованию коррозии. Директива VDI3822 определяет понятия и объясняет определения по анализу разрушений.