Лабораторные работы по машиностроительным материалам: МГТУ, 2022

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова»
(ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г.И. Носова»)
Кафедра проектирования и эксплуатации металлургических машин и оборудования
Лабораторные работы по предмету: «Машиностроительные материалы»
Выполнил: студент группы зМТМб-19-1 Жадан С.Ю
Проверил : доцент, к. с/х.н., Залилов Р.В.
Магнитогорск
2022
Лабораторная работа №1
Определение механических характеристик при осевом растяжении
стержня из малоуглеродистой стали
Цель работы:определение основных характеристик механических свойств
низкоуглеродистой стали: а) прочности — предела текучести ?т и временного
сопротивления ?в и б) пластичности — относительного удлинения ? и
относительного сужения ?. Для оценки свойств низкоуглеродистой стали чаще
проводят испытания на осевое напряжение, т.к. напряженное состояние в
средней части образца близко к линейному и поэтому достаточно просто
исследовать характеристики прочности и пластичности.
Оборудование: разрывная машина Р-100 с возможностью автоматического
вычерчивания диаграммы растяжения, цилиндрические образцы с головками на
концах для закрепления в захватах испытательной машины.
Ход работы: 1. Измерим изначальный диаметр d0 и длину l0 исследуемого
образца и вычислим площадь его поперечного сечения
2.Ознакомимся с графиком
3.Измерим размеры образца после испытания
Внесем результаты измерений в таблицу 1
Размеры образца
До опыта
После опыта
D0=10 мм
l0=120 мм
Dω=8,1 мм
lк=147,6 мм
Fк=51,53 мм2
F0= 78,53 мм2
Найдем остаточное удлинение образца Δl=lк-l0=147,6-120=27,6 мм
l −l
к
0
Определим относительное удлинение δ = l ∗100 %=23 %
0
F 0 − Fк
⋅100 %=34 ,38 %
F0
pт 108 ,2∗ 103
=1378 МПа
Рассчитаем предел текучести σт= F 0 =
78 ,53∗ 10− 6
Определим относительное сужение ψ=
pв 197 ,9 ∗ 103
=2520 МПа
Рассчитаем предел прочности σв= F 0 =
78 ,53∗ 10−6
Рассчитаем допустимые напряжения в Конструкции:
[ σ ] = σт = 1378 =918 ,66 МПа; [ σ ] = σв = 2396 =1050 МПа
nт
1,5
nв
2 ,4
Характеристики пластичности:
l −l
F 0 − Fк
⋅100 %=34 ,38 %
δ = к 0 ∗100 %=23 %ψ=
F0
l0
Заключение о пригодности материала: не удовлетворяет требованиям, т.к ψ<45%, хотя δ>15%
Нагрузки, соответствующие:
Пределу текучести pт=108,2 кН
пределу прочности pв=197,9 кН
Характеристики прочности:
3
pв 197 ,9 ∗ 10
pт 108 ,2∗ 103
σв=
=
=2520 МПаσт=
=
=1378 МПа
F 0 78 ,53∗ 10−6
F 0 78 ,53∗ 10− 6
Допустимые напряжения в конструкции:
[ σ ] = σт = 1378 =918 ,66 МПа; [ σ ] = σв = 2396 =1050 МПа
nт
1,5
nв
2 ,4
Вывод: в ходе данной лабораторной работы мы научились определять
основные характеристики механических свойств низкоуглеродистой стали.
Представленный нам образец не удовлетворяет требованиям пластичности, т.к
относительное сужение меньше требуемых 45%, но при этом обладает высоким
пределом прочности.
Лабораторная работа №2
Определение твердости материалов методом Бринелля
Цель работы: Приобрести навыки в определении твердости металлов методом
Бринелля.
Задачи работы: 1)изучить устройство и работу прибора Бринелля, 2)определить
твердость стальных образцов.
Оборудование и материалы: твердомер шариковый ТШ (прибор Бринелля);
линейка для измерения отпечатков; образцы для исследования.
Ход работы:
1. Измерим линейные размеры всех представленных образцов
2.
Испытуемые образцы устанавливают на столике прибора. Затем подводят
образец к шарику. Вращают маховик до упора образца в ограничителе.
Нажатием кнопки «Пуск» включают электродвигатель, который через
червячный редуктор, кривошипный вал и шатун отводит вниз ролик.
Вследствие этого действие нагрузки (Р) через систему рычагов, стержень,
шпиндель сообщается шариковому наконечнику. Получаем таким образом по 3
отпечатка на каждом образце
3. Произведем измерения полученных отпечатков
Первый образец:
Второй образец
Третий образец
4. Внесем полученные результаты в таблицу
№ образца
№
отпечатка
1-е
измерение,
мм
2-е
Среднее
измерение, значение,
мм
мм
Число
твердости ,
кг/мм2
Первый
Первый
4
4
4
228,8
Второй
4
3,9
3,95
234,9
Третий
4,3
4,3
4,3
196,55
Первый
6,4
6,4
6,4
82,45
Второй
6,5
6,6
6,55
78,15
Третий
6,6
6,6
6,6
76,8
Первый
2,1
2,1
2,1
856,5
Второй
2
2,1
2,05
899,3
Третий
2,2
2,2
2,2
779,5
Второй
Третий
Число твердости по Бринеллю определяем по формуле: HB=
2P
π ∗ D ∗ ( D − √( D − d ) )
2
2
где P – величина нагрузки (кг) = 30000Н; D – диаметр шарика = 10мм; d –
диаметр отпечатка.
Вывод: в ходе данной лабораторной работы мы научились определять
твердость металлов методом Бринелля. Данный метод является более точным
по сравнению сметодом Роквелла на более низких значениях твёрдости (ниже
30 HRC). Также метод Бринелля менее критичен к чистоте поверхности,
подготовленной под замер твёрдости. Зная твёрдость по Бринеллю, можно
быстро найти предел прочности материала, что важно для прикладных
инженерных задач. Однако у данного метода есть существенные недостатки:
данный метод можно применять только для материалов твердостью до 450 HB,
кроме того, данный метод неприменим для тонких образцов, а также при
вдавливании индентора по краям отпечатка из-за выдавливания материала
образуются навалы и наплывы, что затрудняет измерение как диаметра, так и
глубины отпечатка.
Лабораторная работа №3
Определение твердости методом Роквелла
Цель работы: Приобрести навыки в определении твердости металлов с
помощью прибора Роквелла.
Задачи: 1. Изучить основные конструктивные элементы прибора Роквелла. 2.
Используя сравнительные шкалы твердости, ознакомиться с основными видами
наконечников, прикладываемой к образцу нагрузкой и ходом проведения
испытания. 3. Провести измерения твердости трех образцов, выбрав вид
испытания в соответствии с предполагаемыми значениями твердости. 4.
Полученные значения записать в таблицу и проанализировать
Оборудование: прибор Роквелла, металлические образцы
Ход работы: 1.Установив испытуемый образец на столике прибора, вращаем
маховик, тем самым приближаем образец к наконечнику. Измерительную
стрелку совмещаем с нулем на черной шкале с помощью ползунка
2. сообщаем наконечнику основную нагрузку, для чего отводят рукоятку назад.
При нагружении большая стрелка вращается против часовой стрелки. Затем
плавным вращением рукоятки на себя до упора снимают основную нагрузку.
Цифра, на которой остановится большая стрелка, укажет число твердости по
Роквеллу.
3. Меняем нагрузку, заменяем алмазный наконечник на шарик из твердого
сплава, совмещаем стрелку с нулем на красной шкале
Сообщаем нагрузку, получаем следующие результаты:
4. Увеличиваем нагрузку, снова устанавливаем алмазный наконечник,
закрепляем образец, совмещаем стрелку с нулем на черной шкале
получаем следующие результаты
№ образца
Вид
I измерение II
наконечник
измерение
аи
величина
нагрузки
III
измерение
Среднее
значение
1
▼, 60 кг
68,2
69,3
70,9
69,46
2
● , 100кг
90
89,7
88,8
89,5
3
▼, 150 кг
29,5
29,5
29,5
29,5
Вывод: в ходе данной лабораторной работы мы научились определять
твердость методом Роквелла.К достоинствам метода измерения твердости по
Роквеллу HRC можно отнести нижеприведенные моменты: 1)Технология
определяет возможность тестирования поверхностей с повышенной
твердостью;2)При тестировании поверхность повреждается несущественно, что
позволяет исследовать уже готовые изделия; 3)Существенно упрощается
процесс расчетов показателя твердости, так как нет необходимости в замере
диаметра получаемого отпечатка после снятия прилагаемой нагрузки; 4)На
проведение измерений по Роквеллу уходит всего несколько секунд. Однако
есть и несколько существенных недостатков, которые также нужно
учитывать:1)В сравнении с методом по Бринеллю, получаемый результат не так
точен; 2)Для повышения точности проводимых измерений следует тщательно
подготовить поверхность. Несмотря на то, что получаемые результаты могут
иметь достаточно высокую погрешность, этот метод получил широкое
распространение в машиностроительной и других отраслях промышленности,
так как на тестирование уходит мало времени.
Лабораторная работа №4
Определение ударной вязкости материалов при испытании на
динамический изгиб
Цель работы: Определение ударной вязкости и изучение устройства и принципа
действия маятникового копра
Задачи работы: 1. Рассмотреть типы применяемых образцов.
2. Ознакомиться с устройством и принципом работы маятникового копра.
3. Провести испытания образцов.
4. Рассчитать значения ударной вязкости.
5. Сделать заключение о возможности применения исследованных материа-лов
для эксплуатации в условиях динамических нагрузок.
Оборудование: маятниковый копер; стандартный образец
Ход работы: 1. Измерим линейные размеры образцов:
2.Устанавливаем образец на площадку так, чтобы надрез был обратной
стороной к удару, перемещаем маятник на угол зарядки 130 градусов, стрелку
устанавливаем на ноль
3.Убираем защелку, наблюдаем за углом вылета
по тарировочному графику находим работу разрушения
повторяем данные операции для второго и третьего образцов
4. Рассчитаем ударную вязкость по формуле КС=К/ S0 , где К — работа
разрушения, S0 — площадь сечения в месте надреза.
S0=17,5 мм2=0,175 см2
Для первого образца: КС=10,8/0,175=61,71 Дж/см2
Для второго образца: КС=4,5/0,175=25,71 Дж/см2
Для третьего образца: КС=9/0,175=51,43Дж/см2
№ Образца Площадь
Угол вылета Работа
Ударная
Заключение
поперечног
разрушения вязкость,
о
2
о сечения,
, Дж
Дж/см
пригодност
2
см
и материала
Первый
0,175
48,8
10,8
62,857
Пригоден,
т.к KCU>40
Второй
0,175
99,6
4,5
25,71
Не
пригоден,
т.к KCU<40
Третий
0,175
65,4
9
51,43
Пригоден,
т.к KCU>40
Вывод: в ходе данной лабораторной работы мы познакомились с принципом
работы маятникового копра и научились с его помощью определять ударную
вязкость материала.
Лабораторная работа № 5
Термическая обработка углеродистой стали марки 45
Цель работы: Изучить влияние термической обработки на механические
свойства сталей. Приобрести навыки проведения операций термической
обработки: нормализации, закалки и отпуска углеродистых сталей
Задание:
1) ознакомиться с устройством печи и прибором для измерения температуры;
2) назначить режимы обработки, нормализации, закалки и отпуска;
3) произвести закалку, нормализацию и отпуск .
Оборудование и материалы: электропечи для нагрева; образцы углеродистой
стали марки 45
Ход работы: 1. Измерим линейные размеры образцов
2.
Поместим образцы 11 и 12 в поле результатов
3. Разогреем печь до 800 градусов и поместим туда образцы 1-10
4.Образцы 1 и 2 охладим на воздухе, остальные образцы — в воде, поместим
образцы 1,2,3,4 в поле результатов
5. Произведем операцию низкого отпуска. Для этого разогреем печь до 200
градусов и поместим туда образцы 5 и 6. Образец 5 оставим охлаждаться на
воздухе, 6 — в воде. Поместим образцы 5 и 6 в поле результатов.
6.Произведем операцию среднего отпуска. Для этого разогрееем печь до 400
градусов и поместим туда образцы 7 и 8. Образец 7 оставим охлаждаться на
воздухе, 8 — в воде. Поместим образцы 7 и 8 в поле результатов.
7.Произведем операцию высокого отпуска. Для этого разогрееем печь до 600
градусов и поместим туда образцы 9 и 10. Образец 9 оставим охлаждаться на
воздухе, 10 — в воде. Поместим образцы 9 и 10 в поле результатов.
Ознакомимся с параметрами образцов
Вывод: в ходе данной лабораторной работы мы убедились, что при закалке
материала и его отпуске, изменяется его структура и характеристики, что
позволяет подобрать операцию, исходя из целей, для которых будет
использоваться материал. Так, низкий отпуск применяется для углеродистых
сталей, для которых необходима высокая твердость и износоустойчивость;
средний отпуск применяется для пружинных и рессорных сталей, а также для
сталей, идущих на изготовление штампов; высокий отпуск применяется для
конструкционных сталей.
Лабораторная работа №6
Построение диаграммы состояния сплавов свинец -сурьма
Цель работы: Ознакомиться с методикой построения диаграмм состояния
сплавов на основе термического анализа, построить диаграмму состояния
сплавов системы РЬ-SЬ и научиться пользоваться диаграммой при изучении
структуры сплавов.
Задачи работы: 1. Определить температуры плавления свинца, сурьмы и их
сплавов при нагревании. 2. Определить температуры фазовых и структурных
превращений при охлаждении пяти сплавов определенного состава. 3. По
критическим точкам, соответствующим температурам фазовых и структурных
превращений сплавов заданного химического состава, построить диаграмму
состояния. 4. Найти химический состав эвтектики. 5. Научиться с помощью
диаграммы строить кривые нагревания и охлаждения, описывать превращения,
происходящие в сплавах. 6. Ознакомиться с правилом отрезков и получить
навыки его использования
Ход работы: 1. Поместим в тигель кусок чистого свинца, проследим за его
нагреванием, остыванием и ознакомимся с параметрами
2. Поочередно поместим в тигель кусочки свинца и сурьмы разной массы для
получения сплавов с различным процентным содержанием, проследим за
процессом плавления и кристаллизации, ознакомимся с таблицами параметров
нагрева и остывания.
3. Внесем результаты в таблицу и построим диаграммы состояния
Критиче 100% Pb 95% Pb, 90% Pb, 75% Pb, 60% Pb, 30% Pb, 100% Sb
ская
5%Sb
10% Sb 25% Sb 40% Sb 70% Sb
точка, С
Первый 327
перегиб
300
246
325
405
550
630
Второй 327
перегиб
246
246
246
246
246
630
630
630
нагрев Pb 100г.
Sb 100г.
остывание Pb 100г.
остывание Sb 100г.
Т(С˚)
357
327
327
80
70
327
60
312
50
327
40
τ (мин.)
30
20
10
660
640
630 620
600
580
560
540
520
500
480
460
440
420
400
380
360
340
320
300
280
260
240
220
200
0
630
660
640
620
600
580
560
540
520
500
480
460
440
Т(С˚
)
420
400
380
360
340
320
300
280
295
260
240
246
220
200
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58
τ (мин.)
остывание Pb95г. Sb 5г.
660
640
620
600
580
560
540
520
500
480
460
440
Т(С˚)
420
400
380
360
340
320
300
280
260
265
240
246
220
200
25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63
τ (мин.)
остывание Pb 90г. Sb 10г.
660
640
620
600
580
560
540
520
500
480
460
440
Т(С˚)
420
400
380
360
340
340
320
300
280
260
240
246
220
200
2021 2223 24 25 26 27 28 29 3031 32 3334 35 36 37 38 39 4041 42 43 4445 46 47 48 49 50 5152 53 5455 56 57 58 59 60 61 62 63
τ (мин.)
остывание Pb 75г. Sb 25г.
660
640
620
600
580
560
540
520
500
480
460
440
Т(С˚)
420
400
380
360
340
320
300
280
260
240
220
200
20
остывание Pb 60г. Sb 40г.
400
246
30
40
τ (мин.)
50
60
70
660
640
620
600
580
560
540
520
500
480
460
440
Т(С˚)
420
400
380
360
340
320
300
280
260
240
220
200
остывание Pb 30г. Sb 70г.
565
246
0
10
20
30
40
τ (мин.)
50
60
70
700
80
90
700
630
600
565
ликвидус
солидус
500
T (C˚)
200
400
340
327
300
500
400
400
295
300
265
246
246
246
246
246
100
0
Pb 100%
600
200
100
Pb95% Sb5% Pb 90% Sb10% Pb 75% Sb15%
Pb 60%
Sb40%
Pb 30% Sb70%
0
Sb 100%
T(C˚)