Лабораторный практикум по материаловедению и технологии конструкционных материалов. Часть 1

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации 

Департамент научно-технологический политики и образования 

Федеральное государственное бюджетное образовательное  

учреждение высшего образования 

«Волгоградский государственный аграрный университет» 

 

Инженерно-технологический факультет 

Кафедра «Эксплуатация и технический сервис машин в АПК» 

 
 
 

Д. С. Гапич 

А. В. Грибенченко 

В. А. Моторин 
Н. А. Громцева 

 
 
 

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ  

 

по материаловедению  

и технологии конструкционных материалов 

 

Часть 1 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Волгоград 

Волгоградский ГАУ 

2021 

УДК 620.22(075.8) 
ББК 34.54.5я73 
Л-12 
 
 
 

Рецензенты: 

доктор технических наук, доцент, врио директора ФГБНУ ВНИИОЗ  
А. Е. Новиков; кандидат технических наук, доцент кафедры «Технические системы в АПК» ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ Е. А. Назаров 
 
 
 
Л-12  Лабораторный практикум по материаловедению и технологии конструкционных материалов / Д. С. Гапич, А. В. Грибенченко,         
В. А. Моторин, Н. А. Громцева.  Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ, 2021. – Часть 1.  116 с. 

 
 
 
Дано описание лабораторных и самостоятельных работ по раз
делам: «Материаловедение» и «Горячая обработка металлов и сплавов» дисциплины «Материаловедение и технология конструкционных 
материалов». В каждой работе содержатся краткие теоретические сведения, необходимые для выполнения заданий и усвоения основ материаловедения и ТКМ. 

Предназначается студентам высших учебных заведений по ба
калаврской подготовке по направлениям: 20.03.01 Техносферная безопасность, 43.03.01 Сервис. 
 
 
 

УДК 620.22(075.8) 

ББК 34.54.5я73 

 
 
 

 

© ФГБОУ ВО Волгоградский 
ГАУ, 2021 
© Авторы, 2021 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 

Лабораторная работа № 1. ИЗМЕРЕНИЕ ТВЁРДОСТИ И 
МЕТОДЫ 
ОПРЕДЕЛЕНИЯ 
МЕХАНИЧЕСКИХ 
СВОЙСТВ 

СПЛАВОВ ............................................................................................
4

Лабораторная работа № 2. МИКРОИССЛЕДОВАНИЕ СТАЛЕЙ 
И ЧУГУНОВ ........................................................................................
12

Лабораторная 
работа 
№ 
3. 
МИКРОИССЛЕДОВАНИЕ 

ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ .............................................................
22

Лабораторная 
работа 
№
4. 
МИКРОИССЛЕДОВАНИЕ  

ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ............................................
30

Лабораторная работа №
5. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА 

УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ И ИЗУЧЕНИЕ МЕТАСТАБИЛЬНЫХ 
МИКРОСТРУКТУР .............................................................................
37

Лабораторная 
работа 
№
6. 
МИКРОИССЛЕДОВАНИЕ 

ПОРОШКОВЫХ СПЛАВОВ .............................................................
47

Лабораторная 
работа 
№
7. 
ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ 

МАТЕРИАЛЫ – ДИЭЛЕКТРИКИ ....................................................
53

Лабораторная работа №
8. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ 

СВОБОДНОЙ КОВКОЙ .....................................................................
69

Лабораторная работа №
9. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЛИТЕЙНЫХ 

ФОРМ И ПОЛУЧЕНИЕ ОТЛИВОК ..................................................
82

Самостоятельная 
работа. 
ПРОЕКТИРОВАНИЕ 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО 
ПРОЦЕССА
ТЕРМИЧЕСКОЙ 

ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ....................................................................
94

ПРИЛОЖЕНИЕ А ...............................................................................
104

ПРИЛОЖЕНИЕ Б ................................................................................
106

ПРИЛОЖЕНИЕ В ................................................................................
112

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ...........................
113

 

 
 
 

Лабораторная работа № 1. 

 

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ И МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ  

МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СПЛАВОВ 

 

Цель работы – научить студентов измерять твердость металлов 

на приборах типа ТШ (Бринеля), ТК (Роквелла). Познакомить студентов с другими механическими свойствами: прочность, пластичность, 
износостойкость, вязкость, выносливость. 

Оборудование и материалы: прибор Бринеля, прибор Роквел
ла, отсчетный микроскоп для измерения диаметров отпечатков, набор 
образцов отожженных и закаленных сталей, таблица значений величины твердости в зависимости от диаметра отпечатка и нагрузки. 

Исходные данные для выполнения работы 

В отличие от других методов механических испытаний измере
ние твердости характеризуется: 

а) непосредственным воздействием твердого малодеформирую
щего индентора на небольшой участок поверхности детали; 

б) плавностью нагружения и значительной величиной отноше
ния максимальных касательных напряжений к эффективным нормальным напряжениям; 

в) небольшим объемом зоны пластической деформации и малым 

размером отпечатка. 

Первая и третья особенности позволяют отнести методы изме
рения твердости к неразрушающим методам механических испытаний, вторая особенность дает возможность использовать методы измерения твердости для испытания даже хрупких материалов, которые 
практически невозможно исследовать на изгиб, разрыв и т.п. Испытания на твердость получили широкое распространение благодаря простоте и быстроте их осуществления. 

Под твердостью следует понимать сопротивление материала 

вдавливанию в него более твердого тела. Вдавливание может осуществляется стальным твердым шариком, алмазным конусом или пирамидой. 

В настоящее время известно более десяти методов измерения 

твердости. Наиболее широко используются методы вдавливания шарика (метод Бринеля) и конуса (Роквелла). 

Измерение твердости по Бринелю. Испытания осуществляют 

путем внедрения в испытуемый материал стального закаленного шарика диаметром D 10,0; 5,0; 2,5 мм (рис. 1а). Величину твердости определяют по отношению действующей нагрузки P к площади поверхности  отпечатка Fотп (1): 

)
(

2

2
2
d
D
D
D

Р

F

P
HB

отп








 
                           (1) 

 
где Р – нагрузка на шарик, Н; D – диаметр шарика, мм; d – диаметр отпечатка, мм. 
 

Условия внедрения шарика при изменении твердости по Брине
лю задаются в соответствии с ГОСТ 9012-89. Величину нагрузки и 
диаметр шарика выбирают в зависимости от природы исследуемого 
материала, предполагаемой твердости, а так же от толщины образца. 
Последнее связано с тем, что при толщине образца менее десятикратной глубины отпечатка возникают ошибки значения твердости, обусловленные влиянием на размер отпечатка опорной плиты измерительного прибора. 

Поэтому шарики диаметром 10 мм можно использовать для изме
рения твердости деталей толщиной свыше 3-6 мм. Более тонкие изделия 
могут испытываться на твердость шариками меньшего диаметра. 

Время выдержки под нагрузкой также влияет на результат изме
рения твердости. По мере увеличения выдержки диаметр отпечатка 
увеличивается вследствие протекания процессов последействия. Процесс последействия для меди и стали, практически заканчивается по 
истечении 30-60 секунд, поэтому значения твердости практически постоянны при выдержке более 1 мин. 

Метод Бринелля, хотя и имеет некоторые недостатки, находит 

большое распространение. Причиной этого, является наличие корреляции между твердостью и пределом прочности (В=М·НВ). Для большинства материалов коэффициент пропорциональности М=0,33-0,36. 

 

 

 

Рисунок 1 – Схемы испытаний на твердость по методу Бринелля (а)  

и по методу Роквелла (б); 

 
Испытание твердости по Роквеллу. Измерения проводят пу
тём внедрения в исследуемый образец конусного (с углом при вершине 1200) или шарикового индентора (диаметром 1,588 мм) (рис. 1б). 
При определении твердости этим методом в образец (изделие) вдав

ливается индентор (алмазный конус или стальной шарик) под действием нагрузки. Значение этой нагрузки Р складывается из двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной P0=98,07 Н, подаваемой вручную, и основной Р1, подаваемой автоматически. 

Во время испытаний измеряется глубина отпечатка (h), которая 

является величиной обратно пропорциональной твердости материала. 
Числовая характеристика твердости НR условна. Одна единица твердости по Роквеллу соответствует глубине отпечатка 0,002 мм. Отсчет 
величины твердости ведется по разности: 

 

HR=
,
002
,0

)
(
100
0h
h 

  
                               (2) 

 

где h и h0 – глубина отпечатка соответственно при основной и предварительной 
нагрузках. 

 
Для уменьшения погрешности, возникающей из-за шероховато
сти поверхности, особенно при измерении твердости материалов с невысокой твердостью применяется предварительная нагрузка. Основная нагрузка выбирается в зависимости от вида и состояния испытуемого материала и типа индентора. При проведении измерений по Роквеллу используют два типа наконечников: 

1) 
алмазный конус с углом при вершине 1200 и радиусом за
кругления вершины 0,2 мм используется для металлов высокой твердости. 

2) 
стальной шарик диаметром 1,588 мм используется для ме
таллов малой и средней твердости; 

Стальным шариком производятся испытания при нагрузке 100 

кгс или 981 Н, при этом твердость фиксируется на шкале В (красная 
шкала) и обозначается НRB. Измерения твердости конусом чаще всего осуществляются при общей нагрузке 150 кгс или 1471 Н. Числа 
твердости отсчитывают по шкале С (черная шкала) и обозначают 
НRС. При определении твердости сильно закаленных и высоко твердых материалов (НRС 67) общую нагрузку снижают до 60 кгс или 588 
Н, величину твердости фиксируют по шкале А и обозначают НRА. 
Например: НRC45, HRA70. 

Порядок работы на приборе ТШ 

1. 
Наконечник с шариком 10 или 5 мм установить на твер
домер и закрепить его винтом. 

2. 
На подвижную опору установить образец и вращением 

опорной гайки приближаем образец к индентору. После контакта 
индентора с поверхностью образца на дисплее начинает расти 
отображаемая действительная нагрузка, продолжаем нагружение в 

ручную, до срабатывания автоматики процесса испытания (при 
достижении требуемого нагружения ~ 45…165 кгс), загорается 
светодиод и начинается процесс нагружения до заданного значения.  

3. 
После автоматического выключения электродвигателя, 

вращая опорную гайку, освободить образец. 

4. 
Используя отсчётный микроскоп произвести замер диа
метра отпечатка шарика, полученные измерения занести в таблицу 1. 

5. 
По диаметру отпечатка определить его площадь. 

6. 
По формуле (I), а затем по таблице соотношений чисел 

твердости определить твердость по Бринелю (НВ).  

7. 
Полученные значения твердости записать. 

8. 
Установить содержание углерода по формуле: 

 

%С = 
100

8,0
)
80
(


НВ
 , 
 
 
                (3) 

 

9. 
Построить график зависимости твердости от содержания 

углерода. 
 

Таблица 1 – Результаты испытания на твердость 

Марка материала
Твердость по Бринеллю
%С
Предел прочности

В=М•НВ
dотп
НВ

 

Прибор ТК 

1. 
В зависимости от испытуемого образца, на твердомер ус
тановить индентор с алмазным конусом или с шариком диаметром 
1,588 мм. 

2. 
Установить на предметный столик образец и вращением 

опорной гайки прижать его к индентору, тем самым создать предварительную нагрузку 10 кгс (98Н). На инденторе прибора это будет соответствовать совпадению маленькой стрелки с красной точкой. 

3. 
Совместить большую стрелку индикатора с «0» шкалы С 

или «30» шкалы В. 

4. 
Вращая рукоятку привода по ходу часовой стрелки, соз
дать требуемую нагрузку на шарик – 100 кгс, на алмазный конус – 150 
кгс или 60 кгс (цена деления индикатора 5 кгс). 

5. 
После выдержки 10 с вращением рукоятки против хода 

часовой стрелки снять нагрузку. 

6. 
На индикаторе прочитать значение твердости (для алмаз
ного конуса по черной шкале, для шарика – по красной) или определить по формуле (2).  

Свойства металлов и сплавов 

Металлы и сплавы характеризуются физическими, механиче
скими, химическими и технологическими свойствами. Они определяют соответствие выбранного материала расчетным нагрузкам при 
проектировании и обеспечивают надежность и долговечность машины 
в эксплуатации. 

Механические свойства. Механические свойства металлов и 

сплавов определяют сопротивление этих материалов воздействию 
внешних статических, динамических и повторно-переменных нагрузок в 
различных условиях эксплуатации изготовленных из них изделий. 

Механические свойства материалов зависят от их состава, 

структуры и условий нагружения и характеризуются такими параметрами как прочность, износостойкость, вязкость, пластичность, твердость, выносливость и др. 

Внешняя нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и де
формацию. 

Напряжение – нагрузка Р, Н, отнесенная к единице начальной 

площади поперечного сечения образца Fo , м2,  

 

= Р/ Fo

  , н/м2 . 
 

Деформация – изменение формы и размеров тела под действием 

приложенной нагрузки или в результате физико-механических процессов, возникающих в самом теле. Деформация может быть упругая, 
исчезающая после снятия нагрузки, и пластическая, остающаяся после 
снятия нагрузки. 

Упругая деформация при увеличении нагрузки переходит в пла
стическую; при дальнейшем повышении нагрузки происходит разрушение тела. 

Большинство характеристик прочности определяют статически
ми испытаниями образцов на растяжение. Для этого стандартный образец испытуемого материала разрушают на разрывной машине. 

 

 

Рисунок 2 – Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали 

Результаты испытаний представляют диаграммой нагрузка – 

деформация, которая изображена на рисунке 2. По оси ординат отложена нагрузка, а по оси абсцисс – абсолютное удлинение. 

На диаграмме упругая деформация характеризуется прямой ли
нией ОРе. На этом участке прослеживается пропорциональность между удлинением и нагрузкой. Условное напряжение, при котором остаточные деформации впервые достигают некоторой малой величины, 
называется пределом упругости: 

 

уп= Ре / Fo

  . 

 

Пропорциональность нарушается выше точки Ре, между напря
жением и деформацией. В металле, наряду с упругими деформациями, 
возникают пластические деформации. В пределах горизонтального 
участка (площадка текучести) удлинение происходит при постоянной 
нагрузке. Минимальное напряжение, при котором начинается текучесть, называется пределом текучести: 

 

τ= Рτ / Fo

  . 

 

Некоторое время материал течет, затем снова обретает сопро
тивление деформации и нагрузка возрастает. При достижении максимального значения нагрузки деформация происходит  на участке, 
близком к середине образца. Здесь он удлиняется, одновременно площадь поперечного сечения уменьшается, нагрузка падает и образец 
разрушается. Напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называется пределом прочности 
при растяжении: 

 

в= Рв / Fo

  , 

 

где РВ – наибольшая нагрузка перед разрушением, Н. 

 
Прочность – способность материала сопротивляться разрушению. 
Пластичность – способность металла получать остаточную де
формацию без разрушения. Характеризуют пластичность относительным удлинением δ и относительным сужением ψ образца при разрыве: 

 

δ = 
100
)
(

0



l

l
l
o
k
% ;  
ψ = 

0

0
)
(

F

F
F
k

 х 100 % , 

 

где lo – начальная длина образца, м; lk – конечная длина образца после разрыва, м; 
F0 – начальная площадь поперечного сечения на участке сужения при разрыве, м2; 
Fk – конечная площадь поперечного сечения на участке сужения при разрыве, м2. 
 
 

Износостойкость – сопротивление металла изнашиванию, т. е. 

уменьшение размеров при трении. Такому износу подвергаются лемехи, коленчатые валы, поршневые пальцы, шестерни и другие детали 
машин. 

Вязкость – способность металла поглощать работу внешних сил 

за счет пластической деформации. Ее оценивают при ударных испытаниях на маятниковом копре (рис. 3) по ударной вязкости. Образец с 
надрезом 2 устанавливают на опоры маятникового копра. Маятник 1 
поднимают на высоту Н, затем его отпускают, и он ударяет в месте, 
противоположном надрезу. После разрушения образца маятник поднимается на высоту h. Таким образом, на разрушение образца затрачивается работа A, Дж, которую можно определить по формуле 

 

А = G·(Н - h), 

 

где G – вес маятника, Н. 

 

Ударная вязкость КС, Дж/м2, определяется по формуле  

 

КС = А / F0, 

 

где F0 – площадь сечения образца в меcте надреза, м2. 

 
ГОСТ 9454-78 предусматривает образцы с концентраторами 

трех видов: U c радиусом концентратора R = 1 мм, V с R = 0,25 мм и 
угол 450 и Т – усталостная трещина. Соответственно ударная вязкость 
обозначается KCU, KCV, KCT. 

 

 

Рисунок 3 – Испытание на ударную вязкость: 

а) схема прибора; б) эскиз образца; в) схема установки образца 

 

Выносливость – свойство металла выдерживать, не разрушаясь, 

большое число повторно-переменных напряжений. Усталостью называется разрушение металла под действием повторных или знакопеременных нагрузок. Наибольшее напряжение, при котором металл