Методические указания к лабораторным работам по курсу «Материаловедение»

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 
 
 
 
 
 
Методические указания  
к лабораторным работам  
по курсу «Материаловедение» 
 
 
Под редакцией Г. Г. Мухина, А. С. Помельниковой 
 
2-е издание, исправленное и дополненное 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2013 

УДК 620.22 
ББК 30.3 
       М54 
Авторы: Н. В. Васильев, Г. Г. Мухин, С. А. Пахомова,  
Т. В. Соловьева, Р. С. Фахуртдинов, А. С. Помельникова,  
Н.И. Каменская, С. Ю. Шевченко, М. В. Унчикова 
Рецензенты: Р. З. Диланян, В.  С. Крапошин 
М54 
Методические указания к лабораторным работам по курсу 
«Материаловедение» / Н.  В. Васильев, Г.  Г. Мухин, С.  А. Пахомова 
и др. ; под ред. Г. Г. Мухина, А.  С. Помельниковой. — 2-е изд., испр. 
и доп. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. — 52, [4] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-3755-9 
В методических указаниях приведено описание лабораторных работ 
по следующим темам: макро- и микроанализ, пластическое деформирование металлов, термическая обработка сталей и сплавов алюминия, структура и свойства наиболее часто применяемых конструкционных материалов. 
Для студентов машиностроительных и приборостроительных специальностей МГТУ им. Н.  Э. Баумана. 
Рекомендовано Учебно-методической комиссией Научно-учебного 
комплекса «Машиностроительные технологии» МГТУ им. Н. Э. Баумана. 
 
УДК 620.22 
ББК 30.3 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7038-3755-9 
 
 
              © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013 
 
2 

 
ВВЕДЕНИЕ 
Лабораторные работы по курсу «Материаловедение» имеют 
целью закрепление знаний по основным вопросам, которые излагаются в лекциях. При выполнении работ студенты получают информацию о типичных структурах и свойствах промышленных 
материалов, проводят термическую обработку сталей и термически упрочняемых сплавов алюминия, знакомятся с принятыми системами маркировки сталей и сплавов, приобретают практические 
навыки работы с металлографическими микроскопами, твердомерами, приборами для измерения температуры. 
Методические указания к каждой работе включают: цель работы; задание и перечень предоставляемых приборов, материалов и 
инструментов; порядок выполнения работы и необходимый минимум теоретических сведений. 
Информация о свойствах и применении промышленных сталей 
и сплавов сверена с данными, содержащимися в современных монографиях и учебниках, и с действующими стандартами. 
Лекционный курс материаловедения дополнен циклом лабораторных работ, имеющих определенную нумерацию. Методические 
указания касаются части работ этого цикла, для которых сохранена принятая нумерация. 
  
  
  
  
 
3 

 
Работа № 2. МАКРОСКОПИЧЕСКИЙ МЕТОД  
ИССЛЕДОВАНИЯ СТРОЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ 
Цель работы — ознакомиться с макроструктурой различных 
материалов и способами подготовки образцов. 
Задание 
1. Изучить и зарисовать макроструктуры слитка и образцов 
алюминиевых сплавов, отлитых в земляную форму, в кокиль и после модифицирования. Охарактеризовать макроструктуры. 
2. Исследовать и зарисовать макроструктуру лопатки турбины. 
Дать оценку макроструктуры. 
3. Зарисовать макрошлифы деформированного металла, имеющие волокнистое строение, дать заключение о технологии изготовления и эксплуатационных свойствах изделий. 
4. Исследовать качество сварного соединения, выявить общую 
химическую неоднородность; установить наличие дефектов. Зарисовать макроструктуру с указанием характерных зон и дефектов. 
Дать заключение о качестве сварного соединения. 
5. Исследовать и зарисовать макроструктуру изломов (хрупкого, вязкого, усталостного). 
Приборы и материалы: лупа, коллекция макрошлифов, коллекция изломов. 
Порядок выполнения работы 
1. Зарисовать макроструктуру образцов, показывающую особенности литого состояния. Сравнить макроструктуру слитка с 
макроструктурой образцов, отлитых различными методами. 
2. Зарисовать макроструктуру образцов с волокнистым строением и сделать вывод о правильности изготовления заготовки. 
3. Зарисовать макрошлиф сварного соединения. Определить 
положение зоны термического влияния, отметить дефекты. 
4. Определить различие вязкого и хрупкого изломов. 
5. Отметить на рисунке усталостного излома очаг зарождения 
усталостной трещины и характерные зоны этого вида излома. 
 
4 

Основные теоретические сведения 
Исследование строения материалов невооруженным глазом, а 
также с помощью лупы или микроскопа при увеличении до 50 раз 
называют макроскопическим исследованием (макроанализом). 
Строение материала, изучаемое при макроанализе, называют макроструктурой. 
Макроанализ находит применение в промышленности для выявления дефектов строения материала (трещин, раковин, шлаковых включений и др.), химической и структурной неоднородности 
в отливках, прокате, поковках, сварных соединениях и т. д., а также для оценки характера разрушения изделий. 
Макроанализ проводят на специально подготовленных образцах — макрошлифах, поверхность которых шлифуют и подвергают травлению реактивами, иногда подогретыми до температуры 
70…100 °С. Кроме того, анализ можно провести непосредственно 
по виду излома, установив при этом характер разрушения металлического изделия. 
Макроанализ литых изделий дает возможность выявить дендритное строение, определить размер, форму зерен, а также различные дефекты (раковины, неметаллические включения, пузыри 
и др.). Структура отливки зависит от скорости образования центров кристаллизации и скорости их роста, что, в свою очередь, 
зависит от скорости охлаждения и модифицирования (введения в 
расплав специальных примесей, ускоряющих процесс образования центров кристаллизации). Чем выше скорость охлаждения и 
больше дополнительных центров, образованных в результате модифицирования, тем меньше зерна в отливке. В слитке металла 
различают три зоны: 1) мелких кристаллов на поверхности, где 
имеет место высокая скорость охлаждения; 2) столбчатых кристаллов, которые растут по нормали к поверхности отвода теплоты; 3) равноосных крупных кристаллов в центре слитка, где скорость охлаждения мала. 
При литье в земляную форму скорость охлаждения меньше, 
чем при литье в металлическую форму (кокиль). Части детали 
большого сечения охлаждаются медленнее частей деталей тонкого 
сечения. В результате в одной отливке получаются зоны с мелкими и крупными зернами. 
 
5 

При обработке давлением изменяется форма первичных кристаллов, полученных в отливке. Так, при прокатке, ковке, волочении зерна вытягиваются вдоль направления течения металла и 
превращаются в волокна. В холоднодеформированном металле 
полученная волокнистая структура сохраняется. После горячего 
деформирования вместо волокон в результате рекристаллизации 
образуются равноосные зерна. Однако при горячей обработке давлением большинства сталей неметаллические включения оказываются пластичными и вытягиваются по направлению течения металла в форме волокон и ленточек. Эта форма включений 
сохраняется при термической обработке, так как включения в металле нерастворимы. Волокнистая структура такой природы выявляется на макрошлифах и после рекристаллизации. 
Механические свойства металла с волокнистым строением 
анизотропны. Поэтому в деталях, работающих при динамических, 
циклических нагрузках с высоким напряженным состоянием (шестерни, коленчатые валы, шатуны и др.), стремятся получить волокнистую структуру, соответствующую профилю изделия или 
направлению наибольших напряжений. Волокнистую структуру 
выявляют методом глубокого травления в 50 %-ных растворах 
кислот (соляной для углеродистых и азотной для легированных 
сталей), подогретых до температуры 70 °С. Это позволяет определить и технологию изготовления детали (обработка давлением или 
резанием). 
Метод глубокого травления применяется и для выявления внутренних и внешних дефектов, нарушающих сплошность металла. 
Макроанализ используют и для проведения плавочного контроля, при этом определяют: 
1) центральнуь пористость (поры сосредоточены в центре слитка); 
2) общую пористость (поры равномерно распределены по сечению макрошлифа); 
3) ликвацию примесей; 
4) подкорковые пузыри, которые образуются газами, не успевающими выделиться из жидкого металла при его затвердевании; 
5) трещины, к которым относятся и так называемые флокены. 
Чаще всего они встречаются в поковках легированных сталей. 
Причиной образования флокенов является водород, выделяющийся при фазовых превращениях аустенита. 
 
6