ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В настоящих методических указаниях изложены методики выполнения лабораторного практикума по дисциплинам «Материаловедение и термическая обработка» и «Материаловедение», характер и содержание которых подобраны в соответствии с действующими программами.

Цель практикума – ознакомиться с приборами и оборудованием, применяемыми для структурного анализа металлов и сплавов, получить навыки различать и оценивать экспериментальные данные исследований путем составления таблиц, построения графиков и диаграмм, изучения приемов анализа диаграмм состояния и структур; получить навыки в использовании диаграмм состояния сплавов и изотермического распада переохлажденного аустенита для описания превращений в сплавах и схематического изображения получаемых структур.

Практические занятия базируются на теоретических положениях курса и направлены на углубление и расширение знаний лекционного материала.

Порядок выполнения лабораторного практикума предусматривает следующие этапы:

- внеаудиторная подготовка теоретической части работы с составлением краткого конспекта (в рабочей тетради);

- аудиторная работа с преподавателем по разбору отдельных приемов выполнения поставленных задач;

- выдача студентам индивидуального задания;

- выполнение студентами полученного задания и оформление отчета;

- защита отчета о работе.

 

 

2 Практическое занятие № 1

 

ИЗУЧЕНИЕ СИСТЕМЫ МАРКИРОВКИ

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

 

2.1 Цель занятия

 

Изучить систему маркировки и классификации конструкционных и инструментальных металлических материалов, получить практические навыки приобретения необходимой технической информации о свойствах и применении конструкционных материалов на основании анализа их марок.

 

2.2 Краткие теоретические сведения

 

Классификация и маркировка сталей

Сталь – сплав железа с углеродом (до 2,14 %) и другими компонентами. Маркировка сталей различается в зависимости от качества, состава и способа раскисления. По качеству углеродистые стали делятся на стали обыкновенного качества (Р и S менее 0,08 % каждого), качественные (Р и S менее 0,04 %) и высококачественные (Р и S менее 0,03 %).

Стали обыкновенного качества поставляются горячекатаными в виде проката (прутки, листы, уголки, швеллеры, трубы и т.п.). Для этих сталей марки, химический состав и степень раскисления при выплавке регламентирует ГОСТ 380-94. Стали маркируют сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки. Степень раскисления обозначают в спокойных сталях буквами сп, в полуспокойных – пс, в кипящих – кп. Например: Ст3сп, Ст3пс, Ст3кп. Спокойными и полуспокойными производят стали Ст1…Ст6, кипящими – Ст1…Ст4. Сталь 0 по степени раскисления не разделяют, в этой стали указывают только содержание углерода (С≤0,23 %), серы (S≤0,06 %) и фосфора (Р≤0,07 %). В остальных марках регламентировано содержание С, Мп, Si, S, Р. Содержание углерода и марганца возрастает с увеличением номера стали. Стали с повышенным (0,8…1,1 %) содержанием марганца содержат в маркировке обозначение «Г» (Ст5Гпс, например). Содержание кремния зависит от способа раскисления стали: у кипящих – не более 0,05 %, у полуспокойных – не более 0,15 %, у спокойных не более 0,30 %.

Степень раскисления определяет также различное содержание газообразных примесей, а следовательно, порог хладноломкости и возможную температуру эксплуатации. Спокойные стали имеют более низкий порог хладноломкости t₅₀: для сталей Ст3сп, Ст3пс и Ст3кп он составляет –20, –10 и 0 ⁰С соответственно.

Регламентируются также механические свойства (ГОСТ 535-88). Чем больше номер, тем выше прочность и твердость, но ниже пластичность. Прокат подразделяют на три группы (I-III) и пять категорий (1-5). Группа проката оценивает качество поверхности и способ использования проката (I – без обработки поверхностей, II – для изготовления деталей обработкой резанием, III – для заготовок и деталей, получаемых горячей обработкой давлением). Категории проката (определяет заказчик) различаются набором нормируемых показателей механических свойств. Номер категории записывается в конце индекса, определяющего способ раскисления стали.

Прокат из углеродистых сталей обыкновенного качества предназначен для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Среднеуглеродистые стали, обладающие большей прочностью, чем низкоуглеродистые, предназначены для рельсов, железнодорожных колес, валов, шкивов, шестерен и др. деталей грузоподъемных и сельскохозяйственных машин.

Стали углеродистые качественные маркируются цифрами 05, 08, 10, 15, 20 … 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (ГОСТ 1050-88). Их поставляют в виде проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантированным химическим составом и механическими свойствами.

Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие с индексами, соответственно, пс и кп. В отличие от спокойных кипящие стали почти не содержат кремния (не более 0,03 %). Содержание марганца повышается по мере увеличения концентрации углерода от 0,25 до 0,80 %.

Качественные стали находят многостороннее применение в технике, так как в зависимости от содержания углерода и термической обработки обладают разнообразными механическими свойствами. Малоуглеродистые и высокопластичные стали 08, 10 применяют для холодной штамповки; цементуемые стали 15, 20, 25 – для деталей, от которых требуется твердая, износостойкая поверхность и вязкая сердцевина; среднеуглеродистые стали 30, 35…55 – для деталей, работоспособность которых определяется сопротивлением усталости (после улучшения, нормализации и поверхностной закалки – в зависимости от условий эксплуатации деталей).

Стали, содержащие 0,7 % С и более, относятся к инструментальным.

Легированные стали производят и поставляют качественными, высококачественными и особовысококачественными. Эта группа сталей многочисленна по числу марок. Легирующие элементы вводят с целью повышения конструкционной прочности сталей, что достигается при их использовании в термически упрочненном состоянии – после закалки и отпуска.

Легированные конструкционные стали маркируются цифрами и буквами. Цифры, стоящие в начале марки, означают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Далее следует буквенный индекс легирующего элемента. Все легирующие элементы, входящие в состав стали, имеют стандартный буквенный индекс: хром – Х, никель – Н, марганец – Г, кремний – С, молибден – М, вольфрам – В, титан – Т, ванадий – Ф, алюминий – Ю, медь – Д, ниобий – В, бор – Р, кобальт – К, цирконий – Ц, фосфор – П, редкоземельные металлы – Ч, азот – А. После индекса легирующего элемента указывается цифрой его среднее содержание в целых процентах. Цифра после буквенного индекса не ставится, если содержание данного легирующего элемента составляет около 1,0 %. Буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная. Особовысококачественные стали имеют в конце марки букву Ш (после электрошлакового переплава).

Инструментальные стали маркируются по-разному в зависимости от их состава и свойств.

Углеродистые инструментальные стали маркируются буквой У, после которой записываются цифры 7, 8, 9, …13. Цифра показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента.

Легированные инструментальные стали маркируются так же, как легированные конструкционные, – цифрой и буквами. Если перед буквенным обозначением легированной инструментальной стали нет цифры, то содержание углерода в стали принимается равным 1 %.

Быстрорежущие инструментальные стали маркируются индексом Р (рапид (англ.) – скорость), с которого начинается марка стали. Число, следующее после буквы Р, означает содержание основного легирующего элемента – вольфрама в целых процентах, углерода – 0,9 %.

Литейные стали для получения фасонных отливок маркируются двухзначным числом, которое показывает среднее содержание углерода в сотых долях процента. После числа ставится буква Л. Так маркируют углеродистые стали. Легированные литейные стали маркируют соответственно общепринятой системе, а в конце марки ставится буква Л. Для определения степени ответственности отливок в марке литейных сталей, как правило, после буквы Л через дефис записывается римская цифра І, ІІ или ІІІ: І – отливки общего назначения; ІІ – ответственного назначения; ІІІ – особо ответственного назначения. Например: 30Л-І, 35ХМЛ-ІІ, 110Г13Л-ІІІ.

Автоматные стали (обладают особо хорошей обрабатываемостью резанием) маркируются путем записи двухзначного числа, перед которым записывается буква А. Число показывает среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Автоматные стали с увеличенным содержанием серы и дополнительно легированные свинцом (0,15…0,35 %) маркируются буквой С, селеном (0,08…0,30 %) – Е, кальцием (0,002…0,008 %) – Ц. Содержание углерода может быть 0,10…0,40 %. Наиболее многочисленные группы легированной стали имеют низкоуглеродистые (цементуемые) и среднеуглеродистые (улучшаемые) стали, содержащие, как правило, в сумме не более 5 % легирующих элементов.

Особую группу легированных сталей составляют стали со специальными физико-химическими свойствами. К ним относятся жаропрочные, нержавеющие, магнитные, износостойкие, высокопрочные (строительные) стали. Их свойства регламентируются соответствующими ГОСТами.

Хромистые нержавеющие стали применяют трех типов с содержанием хрома 13, 17 и 27 % и углерода – 0,08…0,45 %. Например: сталь 08Х13, сталь 40Х13, сталь 15Х28. Хромоникелевые нержавеющие стали более сложны по химическому составу, например, сталь 12Х18Н8 содержит до 0,12 % С, 1…2 % Mn, 17…19 % Cr, 8…10 % Ni. Количество углерода в сталях марок 1Х18Н9 и 0Х18Н9 соответственно ≤0,14 и ≤0,07%.

К износостойким сталям относятся:

- подшипниковые стали марок ШХ4, ШХ15, ШХ15ГС, ШХ20ГС, содержащие 1 % углерода, а хрома – 0,4; 1,5 и 2,0 %, соответственно маркировке;

- высокомарганцовистые стали марок 110Г13Л, 30Х10Г10, содержащие, соответственно, 1,1…0,3 % углерода, 13 и 10 % марганца, 10 % хрома. Такие стали широко используются для изготовления траков гусеничных машин, щек дробилок, ковшей экскаваторов и др.

 

Маркировка чугунов

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 % С. Постоянных примесей в них также больше, чем в сталях.

В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают белые, серые обыкновенные, высокопрочные и ковкие чугуны. Название белых и серых чугунов определяется цветом излома, название ковкого – условное. В белых чугунах углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Они твердые, хрупкие и для изготовления деталей машин не используются.

Серые обыкновенные, высокопрочные и ковкие чугуны различаются условиями образования графитных включений и их формой, что отражается на механических свойствах отливок.

Серыми обыкновенными называют чугуны с пластинчатой формой графита. При маркировке обозначаются буквами СЧ и двухзначным числом, показывающим наименьшее допустимое значение предела прочности при растяжении (в мегапаскалях), уменьшенное в 10 раз. Например: СЧ15, СЧ25 (s_в ³ 150 МПа).

Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Принцип маркировки высокопрочных чугунов тот же, что и серых обыкновенных. Например, ВЧ38 (s_в ³ 380 МПа).

Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Маркируют ковкие чугуны двумя буквами КЧ и двумя цифрами, разделенными тире: первое число показывает наименьшее допустимое значение предела прочности на растяжение (в мегапаскалях), уменьшенное в 10 раз, а второе – относительное удлинение (в процентах). Например, КЧ30-6 (s_в ³ 300 МПа, d ³ 6%).

Графит, ухудшая механические свойства, в то же время придает чугунам ряд ценных свойств. Он измельчает стружку при обработке резанием, оказывает смягчающее действие и повышает износостойкость чугунов, придает им демпфирующую способность, обеспечивает малую чувствительность чугунов к дефектам поверхности. Благодаря этому серые чугуны широко применяются как конструкционные материалы.

Для деталей, работающих при повышенных температурах, применяют легированные серые чугуны: жаростойкие (дополнительно содержат Cr, Al), жаропрочные (Cr, Ni, Mo).

Маркировка меди и ее сплавов

Техническая медь маркируется буквой М и числом. Например: М00 (99,99 % Cu), М0 (99,95 % Cu), М1 (99,9 % Cu), М2 (99,7 % Cu), М3 (99,5 % Cu), М4 (99,0 % Cu).

В состав медных сплавов могут входить: цинк – Ц, алюминий – А, марганец – Мц, кремний – К, железо – Ж, фосфор – Ф, никель – Н, свинец – С, олово – О, бериллий – Б.

По технологическим свойствам медные сплавы подразделяют на деформируемые и литейные; по способности упрочняться с помощью термической обработки – на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.

По химическому составу медные сплавы подразделяют на две основные группы: латуни и бронзы.

Латунями называют сплавы меди с цинком. Они бывают двух- и многокомпонентными. Латуни подразделяют на литейные и деформируемые.

Литейные латуни обозначаются буквами ЛЦ. Дальше идет число, которое указывает на содержание цинка в процентах, затем буквы и числа, указывающие на состав и содержание компонентов. Например: ЛЦ40С2 (40 % Zn, 2 % Pb, остальное Cu), ЛЦ23А6Ж3Мц2 (23 % Zn, 6 % Al, 3 % Fe, 2 % Mn, остальное – Cu). Литейные латуни, как правило, содержат большое количество легирующих элементов (Al, Fe, Ni, Sn, Si). Эти элементы повышают прочность и коррозионную стойкость латуней. Поэтому легированные латуни широко применяют в речном и морском судостроении.

Алюминиевые латуни, дополнительно легированные (Ni, Fe, Мn, Si), упрочняются с помощью закалки и старения. Обработка по схеме «закалка + пластическая деформация + старение» обеспечивает повышение временного сопротивления до 1 000 МПа.

При маркировке деформируемых латуней после буквы Л идет число, указывающее содержание меди в целых процентах, потом буквы – индексы компонентов, входящих в состав сплава, и далее через дефис – числа, указывающие количество в процентах. Например: Л96 (96 % С и 4 % Zn), ЛАЖ60-І-І (60 % Cu, 1 % Al, 1 % Fe, остальное – Zn).

Бронзы – сплавы меди с другими элементами. Разделяются на оловянные и безоловянные, деформируемые и литейные. Бронзы маркируют так же, как и латуни, только индекс Л заменяют индексом Бр. Например, БрОЦС4-4-2,5 (4 % Sn, 4 % Zn, 2,5 % Pb, остальное – Cu) – деформируемая бронза. В марках литейных бронз содержание каждого легирующего элемента ставится сразу после буквы, которая определяет его название. Например: Бр06Ц6С3 (6 % Sn, 6 % Zn, 3 % Pb).

Деформируемые бронзы обладают высокими упругими свойствами и сопротивлением усталости. Их используют для изготовления круглых и плоских пружин в точной механике, электротехнике, химическом машиностроении и других областях машиностроения.

В качестве литейных применяются алюминиевые бронзы, легированные железом, никелем, марганцем, и оловянные. Высокая коррозионная стойкость в атмосферных условиях, пресной и морской воде способствует широкому применению литейных бронз для пароводяной арматуры, работающей под давлением.

 

Маркировка алюминия и его сплавов

В зависимости от содержания примесей алюминий подразделяют на три класса: особой чистоты – А999 (999,99 % Аl), высокой чистоты – А995, А99, А97, А95 и технической чистоты – А85, А8, А7, А6, А5, А0. Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовления на деформируемые и литейные.

Алюминиевые деформируемые сплавы при маркировке записывают буквами и цифрами. Например: АМц, АМг2, Д1, В95, АК6. Числа указывают на номер сплава. Химический состав и механические свойства указываются в справочной литературе.

Сплавы с марганцем и магнием (АМn и АМг) отличаются высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью. Пластическая деформация упрочняет эти сплавы почти в 2 раза. Дуралюмины (маркируют буквой Д) широко применяют в авиации.

Ковочные алюминиевые сплавы (АК0) обладают хорошей пластичностью. Их используют для средненагруженных деталей сложной формы. Высокопрочные алюминиевые сплавы маркируют буквой В. Они отличаются высоким временным сопротивлением (600…700 МПа) и близким к нему пределом текучести. Применяются для высоконагруженных деталей конструкций, работающих в основном в условиях напряжения сжатия (обшивка, шпангоуты, лонжероны самолетов).

Литейные алюминиевые сплавы маркируются буквами АЛ (алюминиевые литейные), далее идут числа, которые указывают на номер сплава. Например: АЛ2, АЛ4, АЛ9 и т.д. Химический состав и механические свойства также указываются в справочной литературе.

Для литейных алюминиевых сплавов наиболее распространена классификация по химическому составу (Al-Si, Al-Cu и Al-Mq). Лучшими литейными свойствами обладают сплавы Al-Si (силумины). Сплавы системы Al-CuБ, иногда легированные титаном и марганцем (АМ5), используют для деталей, работающих при температурах до 300 ⁰С. Сплавы системы Al-Mq (Амг, Амг10) обладают высокой коррозионной стойкостью, прочностью, вязкостью и хорошей обрабатываемостью резанием. Эти сплавы имеют наилучшие механические свойства после закалки, когда весь Mq находится в твердом растворе. Применяют Al-Mq-сплавы для изготовления деталей, работающих в условиях высокой влажности, в судо-, самолето- и ракетостроении.

 

Маркировка магния и его сплавов

В зависимости от содержания примесей установлены такие марки магния: Мг96 (99,92 % Mq), Мг95 (99,82 % Mq). Магниевые сплавы делят на деформируемые и литейные.

Деформируемые магниевые сплавы маркируются буквами МА и числом, которое указывает на порядковый номер. Например: МА5, МА11, МА14, МА19. Магниевые сплавы выпускают в виде поковок, штамповок, листов, прутков, труб, профилей. Применяют для различных деталей самолетов, автомобилей, ткацких станков и др.

Литейные магниевые сплавы обозначаются буквами МЛ и числом – порядковым номером сплава. Например: МЛ5, МЛ8, МЛ10. Малая плотность магниевых сплавов, а в отдельных случаях высокая прочность, способствуют их широкому применению в самолетостроении, ракетной технике, конструкциях гоночных автомобилей, приборостроении. Вследствие малой способности к поглощению тепловых нейтронов магниевые сплавы используют в атомной технике, а благодаря высокой демпфирующей способности – при производстве кожухов для электронной аппаратуры.

 

Маркировка титана и его сплавов

Технический титан изготавливается следующих марок: ВТ1-00 (99,53 % Ti), ВТ1-0 (99,48 % Ti), ВТ1-1 (99,44 % Ti). Титановые сплавы маркируются буквами ВТ и ОТ и числами, указывающими на номер сплава. Например: ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ОТ4-1, ВТ14, ВТ22. Состав и свойства сплавов приведены в справочной литературе.

Титановые сплавы, благодаря высокой удельной прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости, получили широкое применение в авиации, ракетной технике, судостроении, химической и других отраслях промышленности. Сплавы на основе интерметаллидов титана (жаропрочные и обладающие памятью формы) применяют в космической технике. Так, никелиды титана (TiNi) применяются для самораскрывающихся антенн, саморасклепывающихся заклепок, самосрабатывающих соединительных муфт и т.п.

 

 

Маркировка металлокерамических твердых сплавов

К ним относятся материалы, состоящие из высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана и тантала, связанных металлической связкой. В зависимости от состава карбидной основы спеченные твердые сплавы выпускают трех групп.

Первую (вольфрамовую) группу составляют сплавы системы WС-Co. Они маркируются буквами ВК и цифрой, показывающей содержание кобальта в процентах. Например: ВК6 (94 % WС, 6 % Co).

Вторую группу (титановольфрамовую) образуют сплавы системы TiС-WС-Co. Они маркируются буквами ТК и цифрами, показывающими содержание (в процентах) карбида титана и кобальта. Например: Т30К4 (30% TiС, 4% Co, 66% WС).

Третью группу (титанотанталовольфрамовую) образуют сплавы системы TiС-ТаС-WС-Co. Они маркируются буквами ТТК и цифрами. Цифра и марка после букв ТТ обозначают суммарное содержание (в процентах) карбидов TiС+ТаС, а после буквы К – количество кобальта. Например: ТТ8К6 (TiС + ТаС = 8 %, 6 % Со, 84 % WС). Применяют металлокерамические твердые сплавы для режущего и штампового инструмента.

 

2.3 Порядок выполнения работы

 

Работа носит практический характер и состоит в «расшифровке» сплавов, заданных в индивидуальном задании. Индивидуальное задание выдается каждому студенту в виде варианта. Содержание задания приведено в таблице 2.1.

Таблица 2.1

 

Марка материала	Название материала	Химический состав	Краткая характеристика
Ст2кп	Сталь	По справочнику	Углеродистая конструкционная обыкновенного качества, кипящая
	Сталь	0,25% С, остальное – Fe и примеси	Углеродистая, конструкционная, качественная
20ХН	Сталь	0,20% С, 1% Cr, 1% Ni, остальное – Fe и примеси	Легированная, конструкционная, качественная
СЧ15	Чугун	По справочнику	Серый обыкновенный с пластинчатым графитом, sв ³ 150 МПа
ЛЦ20С3	Латунь	20% Zn, 3% Pb, остальное – Cu	Литейная