Результаты измерений и вспомогательных расчетов

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

И ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ

 

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА

 

 

Чебоксары

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Чувашский государственный педагогический университет

им. И. Я. Яковлева»

 

 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

И ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ

 

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА

 

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

 

 

Для студентов специальности 280104.65

«Пожарная безопасность»

 

Чебоксары

УДК 378(076):620.2

ББК 30.3я73

М 341

 

Материаловедение и технология материалов: лабораторный практикум, оценочные средства: учебное пособие для студентов специальности 280104.65 «Пожарная безопасность» / Чуваш. гос. пед. ун-т; сост. В. С. Антонов. – Чебоксары: ЧГПУ, 2011. – 85 с.

 

 

Печатается по решению ученого совета ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И. Я. Яковлева».

 

 

Рецензенты:

Тимофеев И. А., доктор технических наук, профессор кафедры машиноведения ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И. Я. Яковлева»;

Семенов А. В., кандидат технических наук, доцент кафедры «Ремонт машин и технология конструкционных материалов» ФГОУ ВПО «Чуваш-ская государственная сельскохозяйственная академия».

 

Учебное пособие разработано в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования, а также согласно рабочей учебной программе дисциплины «Материаловедение и технология материалов» и предназначено для студентов специальности 280104.65 «Пожарная безопасность».

Представлены описания лабораторных работ и методика их выполнения.

Изложены виды наиболее распространенных механических испытаний материалов, таких, как на одноосное растяжение, на ударную вязкость, на твердость.

Дан анализ микроструктуры основных металлов и сплавов. Рассмотрено влияние термической обработки на свойства различных сталей.

Описаны приборы и методики дефектоскопии и толщинометрии. Показаны способы оценки параметров высокотемпературных свойств различных металлов и реологических свойств полимеров.

Приведены оценочные средства знаний в виде тестовых заданий.

Учебный материал данного пособия может быть весьма полезен различным категориям работников в области пожарной безопасности, в том числе и преподавателям.

© Антонов В. С., составление, 2011

© ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный

педагогический университет им. И. Я. Яковлева», 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………….
ТРЕБОВАНИЯ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ…………………………………………………………..
Лабораторная работа 1	ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ НА ОДНООСНОЕ РАСТЯЖЕНИЕ…..……………………………………….
Лабораторная работа 2	ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ МЕТАЛЛОВ………………………………………………
Лабораторная работа 3	ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МАТЕРИАЛОВ..................
Лабораторная работа 4	МИКРОСТРУКТУРА НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ……………………………………………...
Лабораторная работа 5	ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА УГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ………………..
Лабораторная работа 6	МАГНИТНАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ МАГНИТОПОРОШКОВЫМ МЕТОДОМ……………...
Лабораторная работа 7	УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ…………….
Лабораторная работа 8	ВИХРЕТОКОВЫЙ МЕТОД ДЕФЕКТОСКОПИИ……..
Лабораторная работа 9	ПРИБОРЫ И МЕТОДИКИ ТОЛЩИНОМЕТРИИ….….
Лабораторная работа 10	КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СВАРНОГО ШВА МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИМ МЕТОДОМ……………..
Лабораторная работа 11	ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПЛАСТМАСС МЕТОДАМИ ГОРЯЧЕГО ПРЕССОВАНИЯ И ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ……………………………………..
Лабораторная работа 12	СВРКА ПЛАСТМАСС…………………………………..
Лабораторная работа 13	СКЛЕИВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ………………………..
ПРИЛОЖЕНИЯ Оценочные средства	Примеры тестовых заданий к защите лабораторных работ и зачету по дисциплине «Материаловедение и технология материалов»……………….……………….
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ………………………………………………

ВВЕДЕНИЕ

 

Материаловедение и технология материалов является наукой о строении, свойствах и технологии создания материалов. Эта область знаний относится к числу основополагающих инженерных дисциплин, поскольку изготовление традиционных и разработка новых материалов, изучение их свойств и способы их обработки являются основой современного производства.

Достаточный уровень знаний в области материаловедения и технологии материалов является важнейшим показателем образованности инженера.

Знание свойств традиционных и вновь создаваемых материалов, особенностей их поведения при обычных температурах, а также при повышенных температурах в условиях пожара необходимо при проектировании и безопасной эксплуатации различных объектов.

Материалы обладают физическими, химическими, механическими, технологическими и специальными свойствами.

Знание качественных особенностей и количественных параметров, характеризующих механические свойства материалов в различных условиях, особенно важно для специалистов по пожарной безопасности.

Дисциплина «Материаловедение и технология материалов» преподается на всех инженерных факультетах высших учебных заведений.

В курсе предусматривается изучение теоретического лекционного материала, выполнение расчетно-графической контрольной работы на практических занятиях и самостоятельно, выполнение под контролем преподавателя лабораторных работ приведенных в пособии.

Практические лабораторные работы являются важнейшей составной частью любого курса материаловедения.

Перечень рекомендуемых к выполнению лабораторных работ представлен в содержании пособия.

Тематика лекций, практических занятий и лабораторных работ почти не дублируется, что важно для небольшого по объему курса. С другой стороны, курс достаточно подробно охватывает многие важные вопросы поведения материалов, в том числе и при пожаре, что особенно актуально при изучении профилирующих дисциплин по специальности «Противопожарная безопасность».

Изучение тем данного пособия позволит студентам лучше усвоить обширные сведения о строении, свойствах и технологии
изготовления различных конструкционных материалов, о методах экспериментального изучения свойств материалов и обнаружения дефектов при их изготовлении и эксплуатации.

Цель изучения курса – дать теоретические знания о строении материалов, их свойствах и технологии изготовления, а также выработать практические навыки использования данных материаловедения в технических задачах.

В результате изучения курса студент должен

знать: физико-механические свойства сплавов черных и цветных металлов и методы их определения, маркировку сплавов и область их применения; закономерности поведения материалов в обычных и особых условиях; технологические основы производства материалов и их обработки;

уметь: пользоваться технической документацией, содержащей сведения о материалах; оценивать возможность и целесообразность использования в технике современных материалов; количественно оценивать прочностные и другие физико-механические параметры материалов, используемых в промышленности, в том числе и на пожароопасных объектах;

иметь представление: о строении традиционных и современных материалов; о напряженно-деформированном состоянии в точках материала; о ползучести, релаксации и длительной прочности материалов в условиях нормальных и высоких температур; о методах экспериментального изучения свойств материалов и обнаружения дефектов при их изготовлении и эксплуатации.

Качество знаний и полученных навыков проверяется в конце курса на дифференцированном зачете. При этом используются оценочные средства в виде приведенных в конце каждой лабораторные работы вопросов и тестовых заданий. Примеры тестовых заданий к защите лабораторных работ и зачету даны в приложении.

При подготовке к сдаче зачета необходимо усвоить материал данного пособия, самостоятельно выполнить лабораторные работы, расчетно-графическую контрольную работу, изучить теоретический материал по учебникам и пособиям, указанным в списке литературы, в соответствии с программой курса.

Особое внимание необходимо обратить на определения и физический смысл изучаемых явлений. Заучивать формулировки наизусть не следует, достаточно понять их смысл, а также уметь изложить суть определения или смысл формулы своими словами.

ТРЕБОВАНИЯ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ БЕЗОПАСНОСТИ

ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

При подготовке к проведению и проведении испытаний на лабораторном оборудовании требуется неукоснительно выполнять следующие правила, строго обеспечивающие безопасность их проведения.

1. Преподавательский состав, проводящий лабораторные работы, и учебно-вспомогательный персонал, обслуживающий оборудование в лабораториях, должны проходить обучение, инструктаж и проверку знаний правил безопасного выполнения лабораторных работ.

2. Студенты допускаются к выполнению лабораторных работ только после прохождения инструктажа по безопасности труда и пожарной безопасности в лаборатории в целом и на каждом рабочем месте.

3. К оперативному обслуживанию энергоустановок могут допускаться только лица, знающие эксплуатационные инструкции, особенности оборудования и прошедшие обучение и проверку знаний.

4. Вводный инструктаж обязательно проводят со всеми студентами перед началом всех лабораторных и практических работ в учебных лабораториях.

О проведении вводного инструктажа обязательно делают запись в журнале регистрации вводного инструктажа с обязательной подписью инструктируемого и инструктирующего.

5. Все работы в лаборатории могут производиться только с разрешения преподавателя, ведущего занятия, заведующего лабораторией или старшего лаборанта, работающего на данной установке.

6. Перед началом работы все участники должны на месте подробно ознакомиться со схемой установки, обратив особое внимание на выключатели или рубильники со стороны питающей сети, и проверить отсутствие электрического питания на участке работы.

7. Категорически запрещается оставлять без надзора установки и схемы под электрическим напряжением.

8. В случае неисправности установки или при аварии необходимо немедленно отключить электропитание установки и незамедлительно сообщить о происшедшем руководителю работ.

9. При поражении работающего электрическим током нужно немедленно отключить электропитание установки, чтобы освободить его от соприкосновения с токоподводящими частями энергоустановки.

Если пострадавший при этом находится в бессознательном состоянии, следует немедленно применить искусственное дыхание, вызвать врача.

10. При возникновении пожара все студенты немедленно эвакуируются из помещения лаборатории, а учебно-вспомогательный персонал срочно принимает меры по ликвидации очага пожара в соответствии со штатной утвержденной инструкцией.

Лабораторная работа 1

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ НА ОДНООСНОЕ РАСТЯЖЕНИЕ

 

Общие сведения

 

Испытания на растяжение – наиболее распространенный вид испытаний для оценки механических свойств материалов, позволяющий определять сразу несколько механических характеристик материала, являющихся критериями его качества и используемых для конструкторских расчетов и выявления причин повреждаемости деталей и конструкций в эксплуатации.

Для испытаний используют цилиндрические или плоские (с прямоугольным сечением) образцы, размеры и качество изготовления которых нормированы ГОСТ 1497–84. Перед испытанием на рабочей части образцов метками наносят расчетную длину l ₀, которую выбирают по формуле l ₀ = 5,65(F ₀)^1/2 (короткие образцы) или l ₀ = 11,3(F ₀)^1/2 (длинные образцы), где F ₀ – площадь поперечного сечения образцов в пределах расчетной длины.

6

2 13

5

7

Испытания проводят на специальных разрывных машинах (ГОСТ 7855–68), где образец растягивают двумя равными и противоположными силами, прило-женными в направлении его продольной оси. Машины снабжены диаграммными приборами, записыва-ющими диаграммы растяжения в координатах «нагрузка – деформация (удлинение) образца», или другими средствами индикации и регистрации значений нагрузки.

Схема универсальной испытатель-ной машины приведена на рис. 1.1.

4

Образец 1 закрепляется в захватах 2, 3. Подвижный захват 3 перемещается вниз электродвигателем 4, растягивая образец. Параметры процесса растяжения образца, фиксируемые датчиками деформации 5 и нагрузки 6, записываются на диаграммной ленте прибора 7 или регистрируются иным образом (например, высвечиваются цифрами на экранах блока индикации).

В данной лабораторной работе используется разрывная машина типа 2167 Р-50 с наибольшей предельной нагрузкой 50 кН (5 тонн), предназначенная для испытаний материалов на растяжение, сжатие, изгиб, малоцикловую усталость. Скорость перемещения активного захвата 3 регулируется и может быть задана минимальными значениями 100, 250 и 500 мм/мин. Масштаб записи диаграммы 200:1.

Общий вид машины 2167 Р-50 с обозначениями отдельных узлов и элементов приведен на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Разрывная машина 2167 Р-50:

1 – виброопоры; 2 – кожух; 3 – направляющая; 4 – винт; 5 – стол; 6 – захват; 7 – образец; 8 – траверса подвижная; 9 – датчик силоизмерительный; 10 – ограждения для винтов; 11 – траверса неподвижная; 12 – блок измерения силы; 13 – блок индикации; 14 – блок задания модулей; 15 – блок автоматики; 16 – станция кнопочная; 17 – ограничитель хода; 18 – графопостроитель; 19 – блок питания; 20 – каркас; 21 – устройство

соединительное; 22 – блок защиты; 23 – выключатель

Порядок выполнения работы (методика испытаний)

 

1. Измерить штангенциркулем диаметр образца в расчетной части d ₀ и рассчитать площадь поперечного сечения F ₀, мм², по формуле
F ₀ = 0,785 d ₀².

2. Определить расчетную длину образца по формуле .

3. Нанести на образец метки, ограничивающие расчетную длину.

4. Закрепить образец головками в захватах разрывной машины.

5. Под наблюдением преподавателя включить машину и выполнить испытание с записью диаграммы растяжения.

6. По диаграмме растяжения (рис. 1.3) определить нагрузку, соответствующую пределу текучести P _т и пределу прочности P _в, а также общее удлинение образца к моменту разрыва D l. Найти длину расчетной части образца к моменту разрыва l _к по выражению l _к = l ₀ + D l (вариант 1).

Р Р в     Р т

7. На пластичных материалах (отожженные конструкционные стали, пластичные цветные металлы и сплавы и др.) можно зафиксировать значения P _т, P _в по цифровой индикации. Длину расчетной части к моменту разрыва l _к можно измерить по расстоянию между метками, обозначающими расчетную длину, на сложенных вместе половинках разорванного образца (вариант 2).

8. Совместив половинки разорван-ного образца измерить диаметр шейки в месте разрыва d _к.

9. Занести результаты измерений и вспомогательных расчетов в рабочую

таблицу.

 

Таблица 1.1

 

Результаты измерений и вспомогательных расчетов

Номер образца	Материал	d 0, мм	F 0, мм2	l 0, мм	P т, Н	P в, Н	l к, мм	d к, мм

 

10. Рассчитать характеристики прочности и пластичности.

Предел текучести (физический) – условное напряжение s_т, Н/мм² (МПа), соответствующее наименьшей нагрузке, «площадке текучести», когда деформация образца происходит без увеличения нагрузки:

s_т = P _т / F ₀. (1.1)

Предел прочности (временное сопротивление разрыву) – условное напряжение s, Н/мм² (МПа), соответствующее наибольшей нагрузке, выдерживаемой образцом:

s_в = P _в / F ₀. (1.2)

Относительное удлинение d,% – отношение прироста длины образца после разрыва к первоначальной расчетной длине:

. (1.3)

Относительное сужение Ψ, % – отношение наибольшего (в месте разрыва) уменьшения поперечного сечения образца к первоначальной площади поперечного сечения:

(1.4)