Лабораторный практикум по материаловедению (профиль подготовки: «Технология и оборудование для пайки»)

Лабораторный практикум  
по материаловедению  
(профиль подготовки:  
«Технология и оборудование 
для пайки») 

Москва 
2022 

УДК 621.791.3:67.017(075)  
ББК 34.64-3я7

Л12 

Рецензенты: 
Кузьмичев Н. Д., д-р физ.-мат. наук, проф. национального 
исследовательского Мордовского государственного университета  
им. Н. П. Огарева; 
Ковтунов А. И., д-р техн. наук, проф. Тольяттинского  
государственного университета 
Авторы: 
Родионов С. Ф., Романова И. Н., Краснопевцев А. Ю., Шендерей П. Э. 

Лабораторный    практикум    по    материаловедению  
Л12 (профиль подготовки: «Технология и оборудование для 
пайки») / С. Ф. Родионов [и др.]. — Москва : Директ-Медиа, 
2022. — 100 с. 

ISBN 978-5-4499-3071-2 

Практикум включает цикл лабораторных работ по матери
аловедению, которые могут быть полезны при подготовке специалистов в области пайки и сварки. 

В данном издании даются краткие теоретические сведения 

и порядок работ по микроструктурному анализу металлов и 
сплавов, построению диаграмм состояния сплавов, термической обработке сталей и т. д. 

Лабораторный практикум имеет исследовательский харак
тер и направлен на развитие научно-исследовательских компетенций будущих специалистов в области материаловедения, 
пайки, сварки и родственных процессов. 

Практикум предназначен для студентов следующих направ
лений подготовки 15.03.01 «Машиностроение», 15.04.01 «Машиностроение», 
22.03.01 
«Материаловедение 
и 
технологии 

материалов», 22.04.01 «Материаловедение и технологии материалов» и специальностей 15.02.08 «Технология машиностроения», 22.02.06 «Сварочное производство». 

УДК621.791.3:67.017(075) 
621.791.3:67.017(075)
ББК 34.64-3я7

ISBN 978-5-4499-3071-2 
© Коллектив авторов, текст, 2022 
© Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2022 

Введение 

Пайка — самый древний способ получения неразъемных 
соединений, переживающий в наше время уже третье рождение (второе — в середине двадцатого века в связи с развитием 
авиационной и космической отраслей промышленности), 
связанное с широким применением новых, в том числе композиционных материалов. Подготовка специалистов по пайке 
разного уровня проводится в Тольятти достаточно длительное 
время, а в 1970–2005 гг. именно здесь существовала единственная в стане кафедра пайки, традиции которой поддерживаются и в наше время. С первых лет существования кафедры 
пайки большое внимание уделялось участию студентов 
в научно-исследовательской работе, т. к. это обеспечивает 
наилучшее качество подготовки специалиста. 
Большое значение при исследовании процессов пайки и 
качества паяных соединений имеют вопросы материаловедения. Следует напомнить, что методами пайки соединяются 
между собой не только металлы, но и неметаллы в однородном 
и разнородном сочетаниях, а сам припой в любом случае имеет 
состав, структуру и свойства, отличные от свойств паяемых 
материалов. Большое значение при пайке имеют и процессы 
взаимной диффузии элементов припоя и паяемых материалов. 
Поэтому подготовка данного лабораторного практикума, в 
котором к направлению подготовки адаптирован цикл лабораторных работ по материаловедению, безусловно, является 
актуальной и полезной. Данный практикум дополняет разработанный на основании опыта кафедры пайки лабораторный 
практикум «Технология и оборудование для пайки» и может 
быть использован при проведении лабораторных и практических занятий по различным дисциплинам подготовки специалистов по пайке (сварке) разного уровня. 
Предлагаемый цикл лабораторных работ включает как 
общеметодические вопросы металлографии, так и изучение 
свойств различных сплавов, которые при пайке могут быть как 
в роли паяемых, так и в роли технологических материалов 
(припоев). Внимание уделяется также вопросам термической обработки, что объясняется как тем, что термический 

3 

цикл пайки воздействует на свойства материалов, так и тем, 
что именно при пайке имеются широкие возможности совмещения операций получения соединений и термической обработки. Приведенные в практикуме материалы, в том числе 
задания для самостоятельной работы (часть из них затрагивают вопросы пайки) можно также использовать на практических занятиях. 
Будущему специалисту в области машиностроения, предстоит работать в быстро изменяющихся условиях производства. 
Уже сейчас цикл обновления технологических процессов 
в некоторых отраслях промышленности короче, чем период 
обучения в институте или университете. Поэтому подготовка 
специалистов нового типа, умеющих быстро адаптироваться 
к новым условиям работы предприятий, является одной из 
основных задач организации высшего образования. 
Лабораторная работа — форма организации обучения, 
интегрирующая теоретико-методологические знания, практические умения и навыки студентов в едином процессе учебноисследовательского характера. В ходе выполнения работ 
студенты вырабатывают умения наблюдать, сравнивать, сопоставлять, анализировать, делать выводы и обобщения, самостоятельно вести исследования, пользоваться различными 
приемами измерений, оформлять результаты проведенной 
работы (исследования) в виде отчетов, презентаций, таблиц, 
схем, графиков и других текстов. 
Одновременно у студентов формируются практические 
профессиональные навыки. 
Лабораторная работа как вид учебного занятия должна проводиться в специально оборудованных учебных лабораториях. 
Многие лабораторные занятия требуют большой аналитической работы, изучения дополнительной литературы, в том 
числе и научной. 
Лабораторный практикум, как форма учебных занятий, 
максимально способствует активизации мыслительной деятельности студентов и выработке у них навыков творческого 
применения на практике полученных знаний. 

4 

Практикум представляет собой комплекс лабораторных 
работ для студентов следующих направлений подготовки 
15.03.01 
«Машиностроение», 
15.04.01 
«Машиностроение», 
22.03.01 
«Материаловедение 
и 
технологии 
материалов», 
22.04.01 «Материаловедение и технологии материалов» и 
специальностей 
15.02.08 
«Технология 
машиностроения», 
22.02.06 «Сварочное производство». 
Каждая отдельная лабораторная работа служит средством формирования умений научно-исследовательского характера на примере конкретного профессионально значимого 
содержания из сферы будущей профессиональной деятельности. Именно во время лабораторной работы закладывается 
переход предметных компетенций в компетентность специалиста, которая осуществляется при помощи лабораторного 
метода. 
Данный комплекс лабораторных работ предлагается использовать при изучении различных дисциплин, которые 
входят в учебный план подготовки специалистов по направлениям «Технология машиностроения» и «Машиностроение» 
(профиль «Технология и оборудование для пайки»). 
Практикум может быть использован при подготовке специалистов по направлениям 15.03.01 «Машиностроение», 
15.04.01 «Машиностроение», 22.03.01 «Материаловедение и 
технологии материалов», 22.04.01 «Материаловедение и технологии материалов» и специальностям 15.02.08 «Технология 
машиностроения», 22.02.06 «Сварочное производство». 

Лабораторная работа № 1 

Микроструктурный анализ металлов 

и сплавов 

Цель работы: 
– изучение устройства металлографических микроскопов;
– освоение технологии приготовления микрошлифа;
– анализ и исследование микроструктуры металлов,
сплавов и паяных (сварных) соединений. 
Задание: 
– изучить устройство металлографического микроскопа,
освоить работу с микроскопом; 
– определить общее увеличение микроскопа и цену деления шкалы окуляра; 
– приготовить микрошлиф заданного материала (например, паяного или сварного соединения); 
– просмотреть под микроскопом микрошлиф и зарисовать схему микроструктуры; 
– определить средний диаметр кристаллического зерна (паяемого материала, припоя и т. д.). 
Оборудование и материалы: 
– образцы различных материалов (образцы паяемых материалов, образцы паяных соединений из различных материалов); 
– набор шлифовальной шкурки;
– полировальный станок;
– полировальная жидкость;
– установка для электролитической полировки и травления; 
– металлографический микроскоп ЕС МЕТАМ РВ 21;
– приспособления для закрепления образцов.

Краткие теоретические сведения 

Микроанализ применяют для изучения внутреннего 
строения (микроструктуры) металлов и сплавов (в том числе 
и в зонах неразъемных соединений) с помощью оптических 
или других микроскопов. 
Знакомство с основными понятиями и владение элементарными навыками металлографических исследований необходимы специалисту в области пайки. 

6 

Микроскопический анализ (микроанализ) заключается в 

исследовании структуры металлов и сплавов при больших 
увеличениях (более 30 крат) и применяется: 

– для определения количества и типа структурных  

составляющих металлов и сплавов (сварных и паяных соединений); 

– для оценки формы, размера и характера расположе
ния зерен; 

– для определения характера и качества обработки (тер
мической обработки, литья, обработки давлением, пайки и 
сварки); 

– для приблизительного определения содержания угле
рода в углеродистой и низколегированной стали по структуре 
в равновесном состоянии; 

– для установления наличия неметаллических включе
ний и оценки их формы, размеров, характера расположения 
и распределения; 

– для установления наличия микродефектов — микро
трещин, раковин и т. п.; 

– для определения глубины слоя, образовавшегося на по
верхности после цементации (нитроцементации), азотирования и других видов химико-термической обработки, глубины 
обезуглероживания; 

– выявление и определение толщины прослойки химиче
ского соединения на границе паяемый материал — паяный шов; 

– для обнаружения неметаллических включений — суль
фидов, оксидов и др. 

Между структурой и свойствами металлов и сплавов существует прямая зависимость. 
Например, величина зерна структуры сильно влияет на 
механические свойства металлов и сплавов. 
Так, зависимость предела текучести σm от размера (диаметра) зерна d описывается отношением Холла — Петча: 

σm = σ0 + kd-1/2,  
 
 
(1) 

где 
σ0 — предел текучести монокристалла; 
k — коэффициент Холла — Петча (коэффициент зернограничного упрочнения, характеризующий вклад границ зерен 
в упрочнение). 

7 

Предполагается, что σ0 и k являются константами материала, и низкотемпературные отжиги не влияют на их значения. 
Чем мельче зерно, тем выше прочность (σв, σm, σ0,2), твер
дость (НВ, HRC), пластичность (δ, φ) и ударная вязкость (аН), 
ниже порог хладноломкости и меньше склонность к хрупкому 
разрушению. 

Для проведения микроисследования используют микрошлиф, представляющий собой образец из исследуемого материала, поверхность которого специально обработана. Выбор 
места взятия образца для изготовления микрошлифа проводится после тщательного внешнего осмотра объекта исследования с учетом цели исследования. При выяснении причин 
выхода из строя деталей машин следует определить микроструктуру в месте излома, ведущую к образованию хрупкой 
структурной зоны и затем микротрещины. 
Для этого образцы следует вырезать так, чтобы сечение 
излома, поверхность износа или другого дефекта попали в 
плоскость шлифа. При исследовании неметаллических включений в прокате или поковке необходимо отбирать пробы 
вдоль и поперек прокатки или направления ковки. Если изделия подвергнуты термической или химико-термической обработке, образцы нужно вырезать так, чтобы в плоскость шлифа 
попали как поверхностные, так и срединные слои изделия. 
При выявлении ликвации в металле образцы необходимо 
брать из различных, наиболее характерных участков изделия. 
Для металлографических исследований сварных или паяных 
соединений образцы вырезают таким образом, чтобы можно 
было исследовать структуры сварного или паяного шва, основного металла и переходных зон. 
Для приготовления микрошлифа выполняют следующие 
операции: отрезку образца, торцовку, шлифование и полирование его поверхности с последующим химическим травлением. 
Качество подготовки поверхности микрошлифа во многом определяет результаты микроструктурного исследования. 
Отрезка образца из мягких металлов (HB < 300) проводится ножовкой, фрезой или резцом, из твердых металлов 
(HB > 300) — абразивным кругом с охлаждением водой или 
эмульсией, чтобы образец не нагревался свыше 150 °С и его 
структура не изменялась. 

8 

Наиболее удобными являются микрошлифы цилиндрической формы диаметром 10–20 и высотой 10–15 мм или прямоугольные со сторонами основания 10–20 и высотой 10–15 мм. 
При изготовлении микрошлифов из образца малых  
размеров (проволока, стружка, листы и др.) их закрепляют 
в зажимах или заливают образцы легкоплавким сплавом, 
пластмассой и др. 
Торцовка шлифа осуществляется с целью придания прямолинейности одной из его поверхностей и проводится опиловкой напильником или шлифовальным кругом. 
Шлифование необходимо для удаления рисок, оставшихся от торцовки. Это достигается обработкой поверхности шлифа шлифовальной бумагой различной зернистости (разных 
номеров). Шлифовальная бумага имеет следующую нумерацию: 12, 10, 8, 6, 5, 4, 3 (номер обозначает примерную величину 
зерна в сотых долях миллиметра). 
Для предварительного чернового шлифования берут бумагу первых четырех номеров. Заканчивают шлифование бумагой номерами 5...3 с мелкими абразивными зернами. Мокрое 
шлифование дает лучшие результаты, так как вода уносит 
частички отрезанного металла и абразивных зерен. Шлифование проводят вручную или на специальном шлифовальном 
станке. При переходе с одного номера шлифовальной бумаги 
на другой шлиф поворачивают на 90° и шлифуют до полного 
удаления рисок, образованных от предыдущей обработки. 
Полирование проводят на быстровращающемся диске с 
сукном (фетром, драпом), которое смачивается водой с взвешенными частицами какого либо абразива (окись хрома 
или алюминия). Для полирования может применяться также 
паста ГОИ (Государственный оптический институт), состоящая из окиси хрома, стеарина, олеиновой кислоты, соды и 
керосина. 
Полирование считается законченным, если поверхность 
образца приобрела зеркальный вид и под микроскопом не 
просматриваются риски. 
После полировки шлиф тщательно промывают водой, 
спиртом и сушат, прикладывая (промокая) фильтровальную 
бумагу. 

9 

С целью выявления микроструктуры полированная  
поверхность шлифа подвергается химическому травлению 
реактивом. Для стали и чугуна чаще всего применяют  
2–5%-ный раствор азотной кислоты (HNO3) в этиловом  
спирте. 
Перед травлением полированную поверхность шлифа 
с целью обезжиривания промывают спиртом. 
Полированную поверхность шлифа погружают в реактив 
на 3–15 с или протирают ватой, смоченной в реактиве, до появления ровного матового оттенка без наличия каких-либо 
пятен. 
Затем шлиф промывают водой, спиртом и просушивают 
фильтровальной бумагой. В результате неодинаковой степени 
травления структурных составляющих на поверхности шлифа 
создается микрорельеф. 
Этот микрорельеф создает сочетание света и тени при 
рассмотрении шлифа в микроскоп. 
Наиболее распространенным для микроанализа металлов и 
сплавов 
является 
металлографический 
микроскоп  
ЕС МЕТАМ РВ-21. 

 

Рис. 1. Металлографический микроскоп ЕС МЕТАМ РВ 

Микроскоп позволяет наблюдать микроструктуру объ
екта в светлом и темном поле при прямом освещении,  

10