ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И СОЦИАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КАФЕДРА БИОЛОГИЧЕСКОЙ И ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

по курсу «Материаловедение. Технология конструкционных материалов»

Для студентов биотехнологического факультета

КУРСК - 2010

УДК

Джанчатова Н.В. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» Для студентов биотехнологического факультета. - Курск: КГМУ, 2010.- 33 с.

Содержание

Лабораторная работа №1 «Кристаллизация металлов и сплавов»
Лабораторная работа №2 «Основы теории сплавов»
Лабораторная работа №3 «Макроскопический анализ»
Лабораторная работа №4 «Изучение механических свойств металлов и сплавов»
Лабораторная работа №5 «Основные способы закалки сталей. Выбор режима закалки»
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Лабораторная работа № 1

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ:изучить процесс кристаллизации металлов и сплавов.

2. Цель самоподготовки:

Необходимо проработать следующие вопросы:

1) Кристаллическое строение твердых тел

2) Дефекты кристаллической решетки

3) Первичная и вторичная кристаллизация твердых тел

Основные теоретические положения - см. Приложение 1

3. Исходный уровень знаний:

Студент должен знать:

-Что такое диаграмма состояния вещества и методы ее построения

- Способы построения кривых охлаждения в координатах температура-время

4. План изучения темы:

1) Изучить основные теоретические положения (см. Приложение 1)

2) Выполнить лабораторную работу;

3) Оформить результаты и защитить лабораторную работу

5. Основная литература:

1. Новиков И.И., Строганов Г.Б., Новиков А.И. Металловедение, термообработка и рентгенография. М.: МИСиС, 1994.

2. Лахтин Ю. М., Леонтьева В.П.. Материаловедение. М. Машиностроение, 1990.

3. Арзамасов Б Н. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1986.

6. Вопросы для самоконтроля:

1. При каких условиях протекает кристаллизация?

2. Что называют степенью переохлаждения?

З. Что такое флуктуации концентрации?

4. Что такое центры кристаллизации?

5. Как строят кривые охлаждения? В каких координатах?

6. Что такое модифицирование?

7. Из каких зон состоит кристаллизующийся слиток?

8. Что такое скрытая теплота кристаллизации?

9. Что называют дендритом?

10.Что происходит с энергией Гиббса при кристаллизации?

7. План выполнения лабораторной работы:

1) Приготовить насыщенные водные растворов солей NaCl, NH₄C1, K₂Cr₂О₇, Pb(NО₃)₂

2) Подготовить (настроить) для наблюдения процесса кристаллизации биологический микроскоп

3) Поочередно нанести на предметные стекла капли насыщенных растворов исследуемых солей и наблюдать процесс кристаллизации

4) Проанализировать процесс кристаллизации растворов солей

Методика определения.

Используемое оборудование:

Биологический микроскоп, предметные стекла, пробирки, держатель пробирок, спиртовка, стеклянные палочки для пермешивания

Используемые химические реактивы:

Соли: NaCl, NH₄C1, K₂Cr₂О₇, Pb(NО₃)₂, дистиллированная вода

СХЕМА ООД

№ п/п	Наименование этапа исследования	Схема ООД
1.	Приготовление насыщенных водных растворов солей	В пробирку налить небольшое количество дистиллированной воды (~10 мл) и нагреть ее до кипения на спиртовке. Присыпать небольшими порциями исследуемые соли (NaCl, NH₄C1, K₂Cr₂О₇, Pb(NО₃)₂) в пробирку с нагретой водой и перемешивать до полного растворения. После выпадения первых кристаллов (прекращении растворения) раствор готов для дальнейшего исследования.
2.	Наблюдение процесса кристаллизации растворов солей	Нанести с помощью пипетки каплю раствора на предметное стекло. После нанесения капли раствора на предметное стекло начинается процесс испарения воды, приводящий к выпадению кристаллов. Стекло с каплей поместить под объектив биологического микроскопа, получить резкое изображение края капли. Иногда необходимо предварительно подогреть каплю на стекле над спиртовкой до выпаривания воды (для ускорения процесса кристаллизации). Наблюдать за ростом кристаллов. Этап выполнять последовательно для каждого из растворов солей.
3.	Анализ процесса кристаллизации растворов солей	Зарисуйте в отчете кристаллы на нескольких последовательных стадиях роста. На примере кристаллизации NaCl можно проследить процесс образования и роста кристаллов правильной формы, а также влияние примесей на форму и число центров кристаллизации. Кристаллизация раствора NH₄Cl позволяет наблюдать процесс роста дендритных кристаллов. (Обратить внимание на динамику их роста). Раствор К₂Сr₂О₇ служит моделью, позволяющей проследить рост столбчатых кристаллов.

Лабораторная работа № 2

ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ:изучить принципы построения диаграмм состояния, научиться определять состав и количество фаз в сплавах.

2. Цель самоподготовки:

Необходимо проработать следующие вопросы:

1) Строение сплавов

2) Диаграммы состояния, их виды и принципы построения

3) Зависимость между свойствами сплавов и их диаграммами состояния

Основные теоретические положения - см. Приложение 2

3. Исходный уровень знаний:

Студент должен знать:

- основные виды превращений в сплавах при кристаллизации: эвтектическое, эвтектоидное, перетектическое, перетектоидное

- основные линии диаграмм состояния: ликвидус, солидус

-Понятия «фаза», «компонент», «твердый раствор», «химические соединения», «механические смеси»

- Особенности кристаллизации сплавов

4. План изучения темы:

1) Изучить основные теоретические положения (см. Приложение 2)

2) Выполнить лабораторную работу;

3) Оформить результаты и защитить лабораторную работу

5. Основная литература:

4. Новиков И.И., Строганов Г.Б., Новиков А.И. Металловедение, термообработка и рентгенография. М.: МИСиС, 1994.

5. Лахтин Ю. М., Леонтьева В.П.. Материаловедение. М. Машиностроение, 1990.

6. Арзамасов Б Н. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1986.

6. Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое металлические сплавы?

2. Какие твердые фазы могут образовываться при кристаллизации?

3. Какие бывают твердые растворы? Чем они характеризуются?

4. Характерные особенности химических соединений?

5. Что такое механическая смесь?

6. В чем заключается особенность кристаллизации сплавов?

7. Как определяется равновесный состав фаз в двухфазной области?

8. Как определяется количество фаз при заданной температуре?

7. План выполнения лабораторной работы:

1) Определить к какому типу относится данная диаграмма состояния.

2) Определить области существования твердых и жидких фаз, твердых растворов, двухкомпонентные области.

3) Для указанного сплава определить состав и количество фаз в заданных точках.

4) Для указанных сплавов построить кривые охлаждения, охарактеризовать структуру при заданных температурах

8. Методика определения.

Используемое оборудование:

Каталог диаграмм состояния, линейка, милимметровая бумага

СХЕМА ООД

№ п/п	Наименование этапа исследования	Схема ООД
1.	Анализ диаграммы состояния	1) Охарактеризовать компоненты предложенной диаграммы состояния: из справочников выписать их основные физико-химические свойства (молекулярную массу, атомный радиус, температуры плавления, тип кристаллической решетки, возможные полиморфные модификации и др.) 2) На предложенной диаграмме состояния найти характерные области: различные виды превращений, области существования твердых растворов и записать температурные и концентрационные координаты их существования 3) Определить к какому типу диаграмм состояния относится данная диаграмма, доказать и записать вывод
2.	Определение равновесного состава фаз	Для определения равновесного состава фаз в двухфазной области диаграммы состояния в заданной точке необходимо провести через неё горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями ликвидус и солидус диаграммы состояния. Проекция точки пересечения коноды с линией ликвидус на концентрационную ось определяет состав жидкой фазы. Проекция точки пересечения коноды с линией солидус на концентрационную ось определяет состав твердой фазы.
3.	Определение массового/объемного состава фаз в двухфазной области	Для определения массового или объемного количества фазы в заданной точке двухфазной области нужно провести через эту точку коноду и разделить длину отрезка коноды, противолежащего составу данной фазы, на общую длину коноды.

Лабораторная работа № 3

МАКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

1. Цель работы: изучить методику приготовления макрошлифов, методы выявления макростроения и дефектов стали.

2. Цель самоподготовки:

Необходимо проработать следующие вопросы:

1) Назначение макроанализа и его виды.

2) Виды изломов – хрупкие, вязкие, смешанные

3) Дефекты изделий, выявляемые макроанализом.

Основные теоретические положения - см. Приложение

3. Исходный уровень знаний:

Студент должен знать:

- наследственную связь структуры и свойств материалов

- виды дефектов

- влияние различных факторов на структуру и свойства материалов

4. План изучения темы:

1) Изучить основные теоретические положения (см. Приложение)

2) Выполнить лабораторную работу;

3) Оформить результаты и защитить лабораторную работу

5. Основная литература:

1. Новиков И.И., Строганов Г.Б., Новиков А.И. Металловедение, термообработка и рентгенография. М.: МИСиС, 1994.

2. Лахтин Ю. М., Леонтьева В.П.. Материаловедение. М. Машиностроение, 1990.

3. Арзамасов Б Н. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1986.

6. Вопросы для самоконтроля:

1) Отличия макроанализа от микроанализа. Назначение макроанализа.

2) Что такое макрошлиф? Его назначение и способы изготовления

3) Реактивы и режимы травления макрошлифов.

4) Виды изломов. Дефекты, определяемые на изломах образцов.

7. План выполнения лабораторной работы:

1) Приготовить макрошлиф

2) Выявить ликвацию фосфора, дефекты, нарушающие сплошность металла, строение литой стали, волокнистую структуру

3) Зарисовать и дать характеристику выявленных макроструктур

4) Составить отчет о работе

Методика определения.

Оборудование: образцы углеродистой и легированной стали, шлифовальная шкурка различных номеров зернистости, водяная баня, фарфоровая ванна, лупа, щипцы, вата, фильтровальная бумага, спирт, реактивы для выявления макроструктуры.

Схема ООД

№ п/п	Этап эксперимента	Схема ООД
	Приготовление макрошлифов	Поверхность образца для макроанализа обрабатывают шлифовальной шкуркой, для чего водят ею по поверхности образца строго в одном направлении. Шлифование начинают шкуркой с наиболее грубым абразивным зерном, затем постепенно переходят на шлифование шкуркой с более мелким зерном. При переходе с одного номера шкурки на другой направление шлифования меняют на 90⁰. После шлифования образцы протирают ватой и подвергают травлению.
	Выявление ликвации фосфора	1. Приготовить реактив для травления: 0,85 г хлорной меди; 0,53 г. хлористого аммония; 10 мл воды. 2. Отшлифованную поверхность образца протереть ватой, смоченной в спирте 3. Образец погрузить в реактив и выдержать в нем 1-2 минуты. 4. После выдержки вынуть образец из реактива. Вся его поверхность должна быть покрыта медью. 5. Струей воды смыть с поверхности слой меди и протереть шлиф мокрой ватой. 6. Просушить и рассмотреть образец. Более темные участки – это места, обогащенные фосфором (т.к. чем больше фосфора в железе, тем оно быстрее растворяется), светлые – места с меньшим содержанием фосфора. 7. Зарисовать полученную макроструктуру и дать характеристику ликвации фосфора.
	Выявление дефектов, нарушающих сплошность металла	1. Приготовить реактив для глубокого травления: 50%-ную соляную кислоту. 2. Отшлифованную поверхность образца протереть ватой, смоченной в спирте. 3. В водяную баню, установленную в вытяжном шкафу, поместить фарфоровую ванну, налить в нее реактив и нагреть до температуры 60-70 ⁰С. 4. Образцы щипцами погрузить в горячий реактив и выдержать в нем 10-15 минут. 5. После выдержки щипцами вынуть образец, промыть водой, а затем 10-15% раствором азотной кислоты. 6. Просушить и рассмотреть образец. 7. Зарисовать полученную макроструктуру и дать характеристику выявленных дефектов.
	Выявление строения литой стали (дендритной структуры)	1. Приготовить реактив для травления: 15% водный раствор персульфата аммония. 2. Отшлифованную поверхность образца протереть ватой, смоченной в спирте. 3. В водяную баню, установленную в вытяжном шкафу, поместить фарфоровую ванну, налить в нее реактив и нагреть до температуры 80-90 ⁰С. 4. Образцы щипцами погрузить в горячий реактив и выдержать в нем 5-10 минут 5. После выдержки щипцами вынуть образец, промыть водой и просушить. 6. Зарисовать полученную макроструктуру и дать характеристику
	Выявление волокнистости стали	Волокнистость стали выявляют одновременно с изучением ликвации фосфора (п. 2) и выявлением дефектов, нарушающих сплошность (п. 3). При обнаружении волокнистой структуры в этих опытах ее зарисовывают и дают характеристику характера расположения волокон.

Лабораторная работа № 4

ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

1. Цель работы: изучить основные прочностные характеристики материалов

2. Цель самоподготовки:

Необходимо проработать следующие вопросы:

1. Характеристика и виды механических испытаний

2. Статические и усталостные испытания

3. Динамические испытания и определение вязкости разрушения

4. Определение твердости

Основные теоретические положения - см. Приложение 4

3. Исходный уровень знаний:

Студент должен знать:

- основные свойства металлов и сплавов: физические, химические, технологические, служебные, эксплуатационные

4. План изучения темы:

1) Изучить основные теоретические положения (см. Приложение 4)

2) Выполнить лабораторную работу;

3) Оформить результаты и защитить лабораторную работу

5. Основная литература:

1. Новиков И.И., Строганов Г.Б., Новиков А.И. Металловедение, термообработка и рентгенография. М.: МИСиС, 1994.

2. Лахтин Ю. М., Леонтьева В.П.. Материаловедение. М. Машиностроение, 1990.

3. Арзамасов Б Н. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1986.

6. Вопросы для самоконтроля:

1. Понятие механических свойств. Основные механические свойства.

2. Что такое прочность?

3. Что такое надежность?

4. Что такое пластичность?

5. Что такое твердость?

6. Виды разрушений металлов

7. Понятие усталости материалов

7. План выполнения лабораторной работы:

1) Приготовить макрошлиф

3) Зарисовать и дать характеристику выявленных макроструктур

4) Заполнить протокол испытания

5) Составить отчет о работе

Методика определения.

Оборудование: образцы материалов после испытаний на растяжение и ударную вязкость, штангенциркуль, каталог диаграмм, миллиметровая бумага, линейка

Схема ООД

№ п/п	Этап эксперимента	Схема ООД
	Определение предела пропорциональности	, где - нагрузка, соответствующая пределу пропорциональности (находится по диаграмме растяжения) - площадь поперечного сечения образца до испытания на растяжение (определяется измерением диаметра исходного образца)
	Определение предела текучести	или 1. При наличии на диаграмме растяжений ясно выраженной площадки текучести по ней определяют нагрузку физического предела текучести Р_т. Результат записывают в протокол испытаний 2. Если на диаграмме растяжения нет площадки текучести, то определяют нагрузку Р_0,2 условного предела текучести (см. Приложение 4)
	Определение предела прочности	Нагрузка предела прочности Р_в является максимальной и характеризуется точкой максимума по оси ординат на диаграмме растяжения. Результат записывают в протокол испытаний.
	Определение относительного удлинения	; Начальная длина образца l₀ берется из данных предварительного (перед испытанием) измерения образца. Длину образца до разрыва определяют измерением расстояния между рисками, ограничивающими расчетную длину образца. Полученный результат записывают в протокол испытаний. Для определения длины расчетной части образца после разрыва l_к обе части образца после разрыва плотно прикладывают одна к другой. Если после испытания образца в месте разрыва образуется зазор, то он включается в длину расчетной части образца после разрыва. Длину образца после разрыва определяют измерением расстояния между рисками, ограничивающими расчетную длину образца. Полученный результат записывают в протокол испытаний.
	Определение относительного сужения	Начальная площадь поперечного сечения F₀ берется из данных предварительного (перед испытанием) измерения образца. Полученный результат записывают в протокол испытаний. Чтобы получить площадь поперечного сечения F_к в месте разрыва круглого образца, надо диаметр образца в месте разрыва измерить штангенциркулем в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и вычислить площадь по среднему арифметическому значению d_к. Чтобы получить площадь поперечного сечения в месте разрыва плоского образца, надо измерить в месте разрыва наименьшую толщину n и наибольшую ширину m образца. Произведение этих величин дает F_к. Полученный результат записывают в протокол испытаний.
	Определение ударной вязкости	Испытание на ударную вязкость производится изломом образца падающим с определенной высоты маятником. Затраченная работа удара А_н определяется по таблице (см. Приложение 4) в зависимости от угла начального подъема и угла взлета маятника.

Результаты заносят в таблицу вида:

Лабораторная работа № 5