Методические указания для выполнения лабораторно-практических работ по материаловедению конструкционных материалов работ для студентов специальности 340100 "Управление качеством в сфере быта и услуг" специализации

Вид материала

Методические указания

Содержание 1. Испытание на растяжение 2. Определение твердости Р=3000 кг с). Величину твердости характеризует отношение нагрузки Р НВ – твердость по Бринеллю, кг с/мм; Р F равна F = пДh Определение твердости по Роквеллу 3. Технологические пробы Проба на двойной кровельный замок и на перегиб. Контрольные вопросы Методика выполнения

Подобный материал:

• Методические указания для выполнения практических работ по дисциплине «Организация,, 357.04kb.
• Методические указания по выполнению и варианты контрольной работы (задания) для студентов, 96.95kb.
• Методические указания для выполнения самостоятельной и практической работы ( для студентов, 269.71kb.
• Методические рекомендации по выполнению практических работ по курсу «Основы обеспечения, 890.27kb.
• Методические указания к выполнению практических работ по дисциплине "Организация предпринимательской, 669.56kb.
• Методические указания по выполнению практических работ дисциплина налоги и налогообложение, 227.54kb.
• Технология конструкционных материалов пособие по изучению дисциплины и выполнению контрольных, 479.07kb.
• Методические указания для выполнения контрольных работ для студентов специальности, 364.82kb.
• Методические указания к выполнению практических работ для студентов специальности 220501, 1084.17kb.
• Методические указания для выполнения домашних заданий и курсовых работ для студентов, 125.38kb.

Работа 3. Испытания механических и технологических свойств

металлов и изделий из них

Цель работы: изучить основные показатели механических свойств металлов и методы определения твердости; ознакомиться с технологическими пробами и методикой их проведения.

Задания:

1. Определить временное сопротивление, относительное удлинение и относительное сужение после разрыва образцов из листового алюминия.

2. Определить твердость по методу Роквелла и Бринелля у ряда образцов из углеродистой стали.

3. Провести технологические испытания на вытяжку, двойной кровельный замок и перегиб, на навивание и окручивание проволоки.

Механические испытания позволяют определить прочность, пластические и упругие свойства, твердость металлов. Наиболее широко проводятся испытания на растяжение и определение твердости.

Для установления метода испытания следует исходить из назначения сплава. Например, для металлов, применяемых для изготовления ножевых товаров и столовых приборов, инструментальных товаров, одним из основных методов определения качества является испытание на твердость. Если металлические изделия имеют сложную форму и эксплуатируются в тяжелых условиях нагружения, то необходимо проведение нескольких испытаний (например, наряду с испытаниями на растяжение и твердость проводят испытания на технологические пробы). Показатели механических свойств выражены определенными величинами. Например, прочность измеряется в Н/м² (кг/мм²), относительное удлинение   %.

Технологические испытания характеризуют способность металла принимать определенные деформации или воздействия подобные тем, которые металл должен претерпевать при технологической обработке или в условиях эксплуатации. При технологических испытаниях металлов определяют способность металлов к глубокой вытяжке, обработке резанием, сварке, на перегиб и т.п.

Обычно проведение технологических испытаний оговаривается соответствующими ГОСТами или техническими условиями. При испытаниях размеры образцов и условия испытания должны быть одинаковыми для сравнимости результатов. Показателями пригодности металла для изготовления изделий, а также качества самих изделий служат такие характеристики, как степень вытяжки, угол загиба, число перегибов, число скручиваний, угол загиба, число перегибов, число скручиваний, стойкость к работе и т.д. Технологические пробы, как правило, дают качественную характеристику металла с его пригодностью к изготовлению и применению исходя из условий эксплуатации.

^ 1. Испытание на растяжение

Испытания на растяжение (ГОСТ 1497-73) проводят на универсальных разрывных машинах всех систем. Образцы для испытания могут быть цилиндрические и плоские; изготовляются согласно ГОСТу.

Круглый образец (см. рисунок) состоит из рабочей части l₀ и головок (высотой h), служащих для закрепления его в захватах разрывной машины. Переход от рабочей части к головкам должен быть главным. Рабочей часть образца должна быть изготовлена с большой точностью.





























 

 

Образцы бывают двух видов – нормальные и пропорциональные. У нормальных образцов диаметр рабочей части равен 20 мм, а расчетная часть l₀ – 100 мм – у коротких или 200 мм – у длинных. У пропорциональных образцов расчетная длина l₀ равна пяти диаметрам у коротких и десяти – у длинных образцов.

Если применяют плоские образцы, то расчетную часть l₀ определяют по формулам:

где F₀ – начальная площадь поперечного сечения, мм².

По этим же формулам определяют расчетную длину круглых образцов диаметром от 20 до 3 мм.

При испытании на растяжение тонких листов и лент толщиной менее 4 мм (ГОСТ 11701) применяют образцы с начальной расчетной длиной, равной 8 в₀ (“длинные”) или 4 в₀ (“короткие”), где в₀ – начальная ширина образца в рабочей части на расчетной длине l₀.

При испытании на растяжение определяют следующие характеристики механических свойств: предел пропорциональности (условный)   _пц ; предел упругости (условный)   _0,05 ; предел текучести (физический)   _т; предел текучести (условный)   _0,2; временное сопротивление   _в; относительное удлинение после разрыва   ; относительное сужение после разрыва   . Первые пять показателей являются характеристиками прочности металлов, последние две – пластичности.

Пределы пропорциональности, упругости и текучести определяются только графическим методом по диаграмме растяжения.

Для определения временного сопротивления  _в испытуемый образец подвергается растяжению под действием плавно возрастающей нагрузки до разрушения. Наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца, принимается за нагрузку Р_max (Р_в), соответствующую временному сопротивлению (предел прочности). Временное сопротивление  _в вычисляется по формуле

где Р_в  наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца, Н или кгс;

F₀  начальная площадь поперечного сечения образца, м² или мм².

Относительное удлинение  (%) определяют по формуле



где l₁ – длина образца поле разрыва, мм;

l₀ – длина образца расчетная, мм.

Относительное сужение  (%) после разрыва определятся по формуле

где F₀ – начальная площадь поперечного сечения образца, мм²;

F₁ – площадь поперечного сечения после испытания в месте разрыва, мм².

При выполнении лабораторной работы следует определить временное сопротивление, относительное удлинение и относительное сужение на плоских образцах из алюминия.

При подготовке образцов производят замер микрометром толщины рабочей части образца, штангенциркулем – ширину рабочей части образца и отмечают по оси образца расчетную длину l₀. Образец закрепляют в зажимных головках разрывной машины и плавно увеличивают нагрузку до разрушения образца. В конце испытания отмечают максимальную нагрузку.

^ 2. Определение твердости

Под твердостью металла понимают показатель механических свойств, характеризующих сопротивление металла проникновению в его толщу более твердого тела, т.е. способность материала сопротивляться воздействию внешних контактных напряжений. Малый объем деформируемого металла дает возможность определить твердость непосредственно на самом изделии, не пользуясь специально изготовленными образцами.

Для определения твердости металлов применяют метод вдавливания. На вдавливании стального шарика основаны приборы Бринелля и Польди, на вдавливании алмазного конуса и стального шарика – прибор Роквелла. Чем меньше при определенной нагрузке проникает в металл вдавливаемый шарик или алмазный конус, тем металл тверже. Зная твердость, можно судить о прочностных и пластических показателях металла. Например, в конструкционных сталях существует количественная связь между твердостью и пределом прочности:

где  _в – предел прочности при растяжении, кг с/мм²;

НВ  твердость по Бринеллю, кг с/мм²;

к – коэффициент, зависящий от природы металла (если НВ 175, то к=0,34; если НВ 175, то к=0,36).

Определение твердости по Бринеллю

При измерении твердости по методу Бринелля стальной шарик диаметром 10 мм вдавливают при определенной нагрузке (^ Р=3000 кг с). Величину твердости характеризует отношение нагрузки Р, действующей на шарик к площади поверхности шарового отпечатка диаметром d и глубиной h от вдавливаемого шарика диаметром Д.













где ^ НВ – твердость по Бринеллю, кг с/мм²;

Р – нагрузка, кг с;

F – площадь шарового сегмента, мм².

Как известно, площадь шарового сегмента ^ F равна F = пДh,

где Д – диаметр шарика, мм;

h – глубина отпечатка, мм.

Поскольку удобнее измерять не глубину полученного отпечатка, а его диаметр, то твердость НВ выражают через диаметры шарика Д и отпечатка d:



Подставляя в формулу твердости значение F, получим:



Таким образом, для определения твердости по Бринеллю необходимо измерить диаметр полученной лунки и произвести соответствующий расчет по формуле. На практике не производят расчеты после каждого испытания, а определяют твердость по таблице, прилагаемой к прибору для любого значения диаметра отпечатка d.

Для определения твердости испытуемый образец устанавливают на предметный столик и, вращая маховик по часовой стрелке, поднимают его до соприкосновения с шариком. Маховик вращают до тех пор, пока стрелка не совместится с указателем. Затем включают электродвигатель, который через систему рычагов передает на образец нагрузку в течение определенного времени. После выдержки (20  30 с) электродвигатель, продолжая вращаться при помощи шатуна и эксцентрика, постепенно снимает нагрузку и выключается. Поворотом маховика образец освобождают от предварительной нагрузки. После этого измеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях диаметр полученного отпечатка с помощью лупы, имеющей шкалу с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра. По средней величине отпечатка определяют твердость материала.

 

^ Определение твердости по Роквеллу

Прибор Роквелла предназначен для испытания металлов и сплавов с повышенной твердостью (НВ 400). При испытании в образец вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120⁰ или стальной шарик диаметром 1,59 мм. На приборе Роквелла применяют незначительные нагрузки (60, 100 и 150 кг с), поэтому на нем можно измерять твердость тонколистовых материалов (менее 1 мм). Твердость, определяемая по методу Роквелла, является величиной, обратной глубине проникновения наконечника в образец, измеряется в безразмерных единицах и автоматически фиксируется по круговой шкале индикатора. Условное перемещение стрелки индикатора на одно деление, соответствующее сотой части окружности шкалы, соответствует 2 мкм глубины вдавливания.

Приготовленный образец устанавливают на предметный столик. Вращением маховика поднимают образец до соприкосновения с алмазным конусом или шариком. Продолжая вращение маховика, вдавливают конус или шарик до тех пор, пока маленькая стрелка индикатора не установится против красной точки в вертикальном положении, а большая примерно совпадает с цифрой 0. Затем, поворачивая шкалу индикатора, цифру 0 на черной шкале совмещают с большой стрелкой. В результате сжатия пружины на образец будет передана нагрузка 10 кг с, которая называется предварительной. Она обеспечивает плотное соприкосновение между образцом и конусом или шариком. Затем включают электродвигатель, который через систему рычагов передает на образец основную нагрузку в течение определенного времени (5  7 с). После выдержки электродвигатель, вращаясь, при помощи шатуна и эксцентрика постепенно снимает нагрузку и выключается. При этом большая стрелка укажет величину твердости по Роквеллу. Индикатор имеет две шкалы: черную С – для испытания алмазным конусом и красную В – для испытания стальным шариком. Испытания алмазным конусом проводят с использованием нагрузок 150 и 60 кг с, стальным шариком – 100 кг с.

Определяя твердость по Роквеллу, следует сказать, по какой шкале проводилось испытание. Согласно ГОСТу приняты следующие условные обозначения твердости по этому методу: для испытаний, которые проводились алмазным конусом с нагрузкой 150 кг с – HRS; для испытаний, которые проводились также алмазным конусом, но с нагрузкой 60 кг с – HRA; для испытаний стальным шариком с нагрузкой 100 кг с – HRB.

Полученные числа твердости по Роквеллу в безразмерных единицах можно перевести в единицы Бринелля, используя для этого специальные таблицы.

В ходе лабораторной работы необходимо научиться определять твердость образцов из различных сталей по методу Роквелла. Используя таблицу, определите также твердость образцов методом Бринелля. Уясните влияние режимов технологической обработки на потребительские свойства готовых металлотоваров.

^ 3. Технологические пробы

Проба на вытяжку. Это испытание проводят для определения способности тонких листов (от 0,1 до 2 мм) из черных и цветных металлов подвергаться штамповке, вытяжке и другим аналогичным операциям обработки металла давлением.

Метод испытания заключается в вытяжке сферической лунки в зажатом по контуру образца с помощью пуансона с шаровым наконечником. Образец зажимают между матрицей и прижимным кольцом. Критерием окончания испытания служит момент уменьшения усилия вытяжке. Метой способности металла к вытяжке является глубина вытянутой лунки в миллиметрах. Для испытания технологических свойств листового металла на вытяжку используют прибор МТЛ-1ОТ-1, представляющий собой гидравлический пресс двойного действия, на котором могут осуществляться различные режимы работ. Для испытаний применяют образцы шириной 55 – 70 мм и используют пуансон диаметром 15 мм. При этом внутренний диаметр матрицы должен быть 21 мм, внутренний диаметр прижима – 18 мм.

При выполнении лабораторной работы по установлению пробы на вытяжку определяют глубину вытянутой лунки листового алюминия, оцинкованной и луженой стали, используя для этого прибор МТЛ-1ОТ-1. Порядок работы на этом приборе изложен в приложенной инструкции к прибору.

^ Проба на двойной кровельный замок и на перегиб. Проба на двойной кровельный замок позволяет установить, способен ли листовой металл принимать заданную по размерам и форме деформацию, необходимую при выполнении кровельных работ, изготовлении крупногабаритной сшивной посуды и т.п. Этой пробе подвергают листовой металл толщиной до 0,8 мм в холодном состоянии.

Испытание заключается в соединении двух листов двойным замком, как показано на рисунке:

 

 

 

Затем загибают по линии, перпендикулярной к линии замка, на заданный угол (но не более 45⁰) и разгибают в плоскость. Перегиб и разгиб производят киянкой на деревянной подкладке. Число загибов и разгибов определяется стандартом или техническими условиями. После испытаний на образце не должно быть отслоений, трещин, надрывов и излома как в самом материале, так и в его покровном слое.

Выполняя лабораторную работу, студент должен определить качество металла и его способность к деформации путем пробы на двойной кровельный замок, используя для этого луженую и оцинкованную сталь.

Пробу на перегиб тонких листов и проволоки проводят в холодном состоянии. Образец зажимают в тиски и подвергают загибу и разгибу в плоскости, перпендикулярной к линии касания губок. Поворачивать проволоку в месте закрепления нельзя. Образец загибают переменно в правую и левую стороны. Первым перегибом считается загиб образца вправо (или влево) на 90⁰, вторым – загиб образца на 180⁰ в сторону, противоположную предыдущему перегибу и т.д. до разрушения образца. Последний перегиб, на котором произошло разрушение образца, в расчет не принимается. Количество перегибов указано в соответствующих технических условиях. В технических условиях указывается также радиус закругления губок, который может быть равным 2, 4, 6, 8 или 10 мм.

Считается, что образец выдержал пробу, если после испытания в нем нет трещин, отслоений, надрывов или излома как в материале образца, так и в его покровном слое.

При выполнении лабораторной работы определяют качество луженой и оцинкованной стали пробой на перегиб в тисках радиусом губок в 4 мм и определяют количество перегибов до разрушения.

Проба на навивание и скручивание проволоки. Такой пробе подвергают проволоку из черных и цветных металлов и их сплавов диаметром от 0,2 до 10 мм. Качество проволоки определяют по ее способности выдерживать без повреждения навивание плотной спиралью. Проволоку в холодном состоянии навивают на цилиндрический стержень определенного диаметра или, если нет специальных указаний, на самое себя плотной спиралью с числом витков от 5 до 10. Качество проволоки определяют также по ее способности выдерживать технологическую пробу на закручивание. Для этого образец проволоки длиной L = 100 (от 60 до 500 мм) зажимают в захватах прибора и скручивают до разрушения. Скорость кручения для проволоки диаметром до 1,5 мм – 90 об/мин, 1,5-3,0 мм – 60 об/мин и 3 и более мм – 80 об/мин. По числу скручиваний судят о способности металла к пластической деформации. Обычно число скручиваний оговаривается соответствующими техническими условиями.

^ Контрольные вопросы

1. Какие стали используют для изготовления инструментов по обработке металлов, которые подвергаются механическому воздействию при ударе, изгибе?
   
2. Какие стали применяют как конструкционный материал для производства станков и изготовления монтажного инструмента?
   
3. Что лежит в основе классификации металлов?
   
4. Что относится к черным металлам?
   
5. Дайте понятие – чистый металла и сплав.
   
6. Отличительные особенности чугуна и стали.
   
7. Какую кристаллическую решетку имеют хром, вольфрам, молибден?
   
8. Какую кристаллическую решетку имеют алюминий, медь, никель?
   
9. Какую кристаллическую решетку имеют магний, оксид цинка?
   
10. Перечислите дефекты кристаллического строения.
    
11. Объясните, почему инструменты из углеродистых сталей не применяют при больших скоростях резания?
    
12. Назовите области применения серых, высокопрочных, ковких чугунов.
    
13. Сплавы на медно-никелевой основе. Области применения.
    
14. Как классифицируются стали по химическому составу?
    
15. Как влияет углерод на конструкционную прочность стали?
    

 

Работа 4. Качественное определение природы полимера

методом сжигания

Цель работы: освоение метода распознавания природы полимерных материалов по характеру горения, внешним признакам.

Задания:

1. Установить внешние характерные признаки, отличающие отдельные виды полимерных материалов.

2. Научиться распознавать отдельные виды полимеров по характеру поведения их при нагревании, горении, по запаху продуктов горения.

3. Идентифицировать методом сжигания 14 – 15 видов пластмасс.

^ Методика выполнения

Поскольку отдельным видам полимеров свойственны определенный цвет, прозрачность, характер поверхности, блеск, упругость, эластичность и т.д., то по внешним признакам образцов материалов или изделий можно получить первое представление о природе полимеров.

Распознавание полимеров по характеру поведения при нагревании и горении является довольно простым и в то же время достаточно точным методом качественного определения природы полимеров. Метод основан на визуальном наблюдении за поведением образца при внесении его в верхнюю часть пламени горелки. По мере нагревания образцы термопластов постепенно размягчаются и плавятся, а реактопласты не размягчаются и не плавятся. Поэтому по отношению к нагреванию можно определить класс полимеров (термопласты, реактопласты). При дальнейшем нагревании образца происходит его загорание, сопровождающееся выделением продуктов разложения, которые обладают специфичным для отдельных полимеров запахом, позволяющим определять вид полимеров.

Прежде чем приступить к выполнению работы, следует детально ознакомиться с соответствующим теоретическим материалом, отобрать 15-20 образцов полимеров, внимательно осмотреть их, подробно охарактеризовать их внешний вид (характер поверхности, цвет, жесткость, прозрачность, характер излома и прочие признаки).

Захватив образец тигельными щипцами, следует внести его в пламя горелки; затем проведите наблюдение за нагреванием, размягчением и загоранием. При загорании образца удалите его из пламени горелки; если он плавится и съеживается, выдержите в огне до воспламенения, но не более 10 мин. Проведите наблюдения за загоревшимся материалом вне пламени горелки, определить окраску пламени, характер горения (спокойное, интенсивное, с копотью, прекращение горения и т.д.), отметьте запах продуктов горения и дополнительные признаки (например, способность вытягиваться в нити). Для определения запаха продуктов следует погасить пламя и легким движением кисти рук направить воздух от потушенного образца к носу.

На основании сравнения установленных признаков с данными, приведенными в таблице приложения, определите вид полимера во всех образцах, взятых для опыта.

Примерная схема определения:

1. Образец не воспламеняется, сохраняет свою форму, ощущается запах формальдегида. Если, кроме того, ощущается запах:

а) аммиака – это мочевиноформальдегидный полимер;

б) резкий (рыбы) – меламиноформальдегидный полимер;

в) фенола – фенолформальдегидный полимер.

2. Полимер горит в пламени горелки и гаснет при удалении из пламени. Если, кроме того, появляется:

а) запах жженой резины, широкая зеленая кайма пламени у основания – это хлорированный каучук; при небольшой зеленой зоне, перекрываемой желтой зоной – это хлоропрен;

б) резкий запах хлористого водорода и зеленая окраска – это производные поливинилхлорида;

в) сладковатый запах, зеленая окраска у основания пламени, черная зола – это поливинилхлорид;

г) запах горелого молока – это казеин;

д) запах уксусной кислоты, искры, расплавленная смола при попадании в воду образует тяжелые желто-коричневые зерна или хлопья – ацетилцеллюлоза.

3. Полимер горит после удаления из пламени; при этом наблюдается:

а) очень быстрое горение, запах камфоры – это целлулоид; без запаха камфоры – нитроцеллюлоза;

б) пламя голубое у основания и, кроме того, сильный сладковато-плодовый запах – это полиметилметакрилат;

запах горелых овощей – это полиамиды;

чуть сладковатый запах – поливинилформаль;

запах прогорклого масла, искрение – ацетобутират целлюлозы;

в) пламя с пурпурной каймой, искрение, запах уксусной кислоты – это поливилацеталь;

г) пламя яркое, желто-белое, запах: сладковатый (гиацинтов) – это полистирол или его сополимеры; слабый, чуть сладковатый – это поливинилформаль;

д) пламя окружено желто-зеленой каймой, смола долго горит, имеет сладковатый запах; расплавленная смола, падая в воду, образует диски цвета светлого дуба – это этилцеллюлоза.

Отчет оформляют по следующей форме:

№	Внешний вид образца	Поведение при нагревании	Характер горения	Запах продуктов горения	Вид полимера