Лабораторный практикум по материаловедению

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
Ю.Н. Безбородов, Р.Н. Галиахметов, И.А. Чалкин 
 
 
 
 
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ  
ПО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЮ 
 
 
  
 
 
Допущено УМО вузов РФ по образованию в области транспортных 
машин и транспортно-технологических комплексов в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров «Эксплуатация транспортно-технологических  
машин и комплексов» (профили подготовки: «Сервис транспортных и 
транспортно-технологических машин и оборудования (Нефтегазодобыча)», «Сервис транспортных и транспортно-технологических машин 
и оборудования (Нефтепродуктообеспечение и газоснабжение)», 
«Сервис транспортных и транспортно-технологических машин и  
оборудования (Трубопроводный транспорт нефти и I газа)»),  
 
№ 101-У/15-рг108-16 от 27.05.2015 г. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Красноярск 
СФУ 
2015 

УДК 620.22(07) 
ББК 30.3я73 
Б391 
 
 
 
Рецензенты: 
Б.И. Ковалевский, доктор технический наук, профессор кафедры топливообеспечения и горюче-смазочных материалов Института нефти и газа Сибирского федерального университета; 
А.Е. Митяев, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой 
прикладной механики Политехнического института Сибирского федерального 
университета 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Безбородов, Ю.Н. 
Б391 
 
Лабораторный практикум по материаловедению : учеб. пособие / Ю.Н. Безбородов, Р.Н. Галиахметов, И.А. Чалкин. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2015. – 136 с. 
 
 
ISBN 978-5-7638-3359-1 
 
 
Представлены лабораторные работы по изучению структурных компонентов сплавов и металлов. Приведены примеры расчетов свойств сталей и 
чугунов. 
Предназначено для студентов технических специальностей, а также научных работников, ведущих исследования в области материаловедения. 
 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 620.22(07) 
ББК 30.3я73 
 
 
ISBN 978-5-7638-3359-1 
© Сибирский федеральный университет, 2015 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Условные обозначения и сокращения ............................................................... 4 

Введение ............................................................................................................... 7 

Нормы и стандарты ............................................................................................. 8 

Технологические свойства металлов............................................................... 26 

Техника безопасности при выполнении  лабораторных работ .................... 33 

Количество опытов  и ошибка измерений ...................................................... 36 

Лабораторная работа 1. Изучение устройства металлографического  
микроскопа МИМ-10.  Приготовление микрошлифов .................................. 39 

Лабораторная работа 2. Микроскопический анализ  (микроанализ) ........... 50 

Лабораторная работа 3. Макроскопический анализ (макроанализ) ............. 58 

Лабораторная работа 4. Микроструктура и свойства   
углеродистых сталей ......................................................................................... 68 

Лабораторная работа 5. Микроструктура чугунов ........................................ 78 

Лабораторная работа 6. Определение твердости, упругости,   
пластичности и прочности материалов ........................................................... 88 

Лабораторная работа 7. Термическая обработка стали ................................. 98 

Итоговый тест .................................................................................................. 108 

Библиографический список ............................................................................ 131

Приложение ..................................................................................................... 132 
 
 

Условные обозначения и сокращения 

δв – временное сопротивление (предел прочности при разрыве) 
δв° – предел прочности при сжатии 
δи – предел прочности при изгибе 
τпч – предел прочности при кручении 
δх – предел текучести физический (нижний предел текучести) 
δ 0,05 – условный предел упругости с допуском на остаточную деформацию 0,05 % 
δ 0,2 – предел текучести условный с допуском на величину пластической 
деформации при нагружении 0,2 % 
δр – относительное равномерное удлинение 
δ – относительное удлинение после разрыва 
ψ – относительное сужение после разрыва 
КСU – ударная вязкость, определенная на образцах с концентратором вида 
U 
KCV – ударная вязкость, определенная на образцах с концентратором вида 
V 
Тк – критическая температура хрупкости 
НВ – твёрдость по Бринеллю 
d10 – диаметр отпечатка по Бринеллю при диаметре шарика 10 мм и испытательной нагрузке 2943 Н 
HRA – твёрдость по Роквеллу (шкала А, конусный наконечник с общей нагрузкой 588,4 Н) 
HRB– твёрдость по Роквеллу (шкала В, сферический наконечник с общей 
нагрузкой 980,7 Н) 
HRC – твёрдость по Роквеллу (шкала С, конусный наконечник с общей нагрузкой 1471 Н) 
HV– твёрдость по Виккерсу при нагрузке 294,2 Н и времени выдержки от 
10 до 15 с  
HSD– твёрдость по Шору 
Та– заданный ресурс 
δ'дп,Тэ – условный предел длительной прочности (величина напряжений, 
вызывающая разрушение при температуре и заданном ресурсе) 
δ-1 – предел выносливости при симметричном цикле (растяжение – сжатие) 

τ-1 – предел выносливости при симметричном цикле (кручение) 
δа – наибольшее положительное значение переменной составляющей цикла 
напряжений 
∆ε – размах упруго-пластической деформации цикла при испытании на 
термическую усталость 
N – число циклов напряжений или деформаций, выдержанных нагруженным объектом до образования усталостной трещины определённой протяжённости или до усталостного разрушения 
δ0 – начальное нормальное напряжение при релаксации 
δх – остаточное нормальное напряжение при релаксации 
Кс– коэффициент интенсивности напряжений 
Ac1 – температура начала превращения при нагреве (нижняя критическая 
точка) 
Ас3 – температура конца превращения при нагреве (верхняя критическая 
точка) 
An – температура конца превращения при охлаждении (нижняя критическая точка) 
Аr3 – температура начала превращения при охлаждении (верхняя критическая точка) 
Мн – температура начала мартенситного превращения 
Мк – температура конца мартенситного превращения 
G – модуль сдвига 
v – коэффициент Пуассона  
γ – плотность 
С – удельная теплоёмкость 
λ – теплопроводность 
α – коэффициент линейного расширения 
H – напряженность магнитного поля 
μ – магнитная проницаемость 
В – магнитная индукция 
Bs – индукция насыщения 
∆В – разброс магнитной индукции вдоль и поперек направления прокатки 
PB – удельные магнитные потери 
Нс – коэрцитивная сила 
р – удельное электросопротивление 
Кр – красностойкость 
tлик –температура полного расплавления металла 
tсол – температура начала плавления металла 
d0 – начальный диаметр образца 
l0 – длина расчётной части образца 
V – скорость деформирования образца 
έ – скорость деформации образца 
а – толщина образца при испытании листов на изгиб 

d – толщина оправки при испытании листов на изгиб 
S – толщина стенки 
Сl' – хлор-ион 
F' – фтор-ион 
Ʃ – коэффициент износостойкости при абразивном износе 
Ʃг – коэффициент износостойкости при гидроабразивном износе 
v – скорость резания 
Kv – коэффициент относительной обрабатываемости 
Т – время 
t – температура 
tотп – температура отпуска 
tисп – температура испытания 
АЭУ – атомная энергетическая установка 
АЭС – атомная энергетическая станция 
ТЭС – тепловая электростанция 
ВВЭР – водо-водяной энергетический реактор 
ВТГР – высокотемпературный гелиево- охлаждаемый реактор 
ГТЭ – газотурбинные энергетические установки 
ГТН – газотурбинный насос 
ВДП – вакуумнодуговой переплав 
ЭШП – электрошлаковый переплав 
ЭТС – электротехнические стали 
ТРС – транспортные стали 
ТВЧ – ток высокой частоты 
ТПЧ – ток промышленной частоты 
КП – категория прочности 
КР – коррозионное растрескивание 
ПК – питтинговая коррозия 
PI – питтинговый индекс 
МКК – межкристаллитная коррозия 
AM, АМУ, ВУ, ДУ – условные обозначения методов определения стойкости к межкристаллитной коррозии по ГОСТ 6032–89 
Гелий ВЧ – гелий высокочистый 
НД – нормативная документация 
ГСССД – государственная служба стандартных справочных данных 
ГОСТ – государственный стандарт 
ОСТ – отраслевой стандарт 
ТУ – технические условия 
РТМ – руководящие технические материалы 
ДЦ – данные НИИТМАШ 
АДБ – автоматизированый банк данных. 

Введение 

Материаловедением называют науку, изучающую взаимосвязь между 
составом, строением и свойствами материалов. 
Развитие материаловедения необходимо для решения важнейших 
технических проблем, связанных с экономией материалов, уменьшением 
массы машин и приборов, повышением точности, надежности и работоспособности механизмов и приборов. 
Теоретической основой материаловедения являются соответствующие разделы физики и химии, однако наука о материалах в основном развивается экспериментальным путем. Поэтому разработка новых методов 
исследования строения (структуры) и физико-механических свойств материалов способствует дальнейшему развитию материаловедения.  
Курс «Материаловедение» включает две самостоятельные части:  
1) металловедение и термическая обработка металлов;  
2) неметаллические материалы (полимеры, керамика, стекло, резина, 
древесина и т. д). 
В книге приведены лабораторные работы по курсу «Материаловедение» для студентов машиностроительных специальностей. 
Цель практикума – научить будущих специалистов лучше ориентироваться в выборе материалов для деталей машин и конструкций. 

Нормы и стандарты 

Стандартом называется документ, в котором устанавливаются характеристики продукции, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации, выполнения работ. Работа по стандартизации проходит на различных уровнях. Это в 
основном международные организации по стандартизации, например ASTM 
(Американское общество по испытанию и материалам), AFNOR (Французская 
ассоциация по стандартизации), DIN-норма (Немецкий институт стандартизации). Следует различать стандарты качества, испытаний и понятий. 
Стандарты качества. С помощью стандартов качества обеспечиваются одинаковые свойства материалов независимо от времени и места их изготовления. Большая часть работы по стандартизации осуществляется специально основанными международными и национальными 
организациями. Наряду с этим нормы качества устанавливают научнотехнические объединения, экономические организации, а также учреждения (ведомства). Эти нормы называются предписаниями, директивами или бюллетенями. Заводские стандарты и согласования между изготовителем и потребителем имеют цель специфицировать определенные 
свойства. 
Обозначение материалов цифрами и буквами. Обозначение стали 
(деформируемые сплавы железа), а также материалов из чугунного литья происходит в основном по правилам бюллетеня стандартов DIN 17006. Подобное 
обозначение материала включает данные об изготовлении (вид плавки, особые 
свойства), химическом составе и обработке (гарантийный объем, состояние 
обработки и достигаемая прочность). Обозначение цветных металлов осуществляется по правилам бюллетеня стандартов DIN 1700. 
Обозначение стали. Подразделение сталей может происходить по 
степени их чистоты, а также цели применения. По степени чистоты различаются сталь для профилей широкого применения, качественные и высококачественные (специальные) стали. 
Качественные и высококачественные стали подвергаются, как правило, термообработке (закалка, дисперсионное твердение), направленной на 
получение определенных значений прочности. Высококачественная сталь 
отличается от качественной стали дополнительными признаками качества 
(меньшее содержание серы и фосфора). 

По цели применения стали делятся на конструкционные и инструментальные. Конструкционная сталь, в свою очередь, подразделяется на 
общую конструкционную, для термообработки, а также автоматную, рессорно-пружинную, клапанную, подшипниковую, для болтов, коррозионностойкую, нестареющую, листовую (для глубокой вытяжки, окантовки, 
пробивки) и т. д. Инструментальная сталь подразделяется на нелегированную, легированную, высоколегированную инструментальную сталь, инструментальную сталь для обработки резанием и давлением, жаропрочную, 
быстротвердеющую и твердые сплавы. 
Обозначение сталей происходит по трем главным группам: нелегированная, легированная и высоколегированная сталь. 
Нелегированные стали. К нелегированным сталям относятся все 
виды сталей, у которых содержание примесей не превышает следующие 
установленные максимальные границы, %: 

Аl 0,10 
 Сr 0,25                     Сu 0,25 

Мn 0,80 
Ni 0,25  
 
Р 0,09 

S 0,06 
Si 0,50 
 Ti 0,10 

 
Нелегированная конструкционная сталь (конструкционная сталь 
профилей широкого применения). Конструкционные стали подразделяются по наименьшему пределу прочности при растяжении. 
 

Обозначение 

                              группа материалов 
StYY-Z 

                группа качества 

 1 – без особого испытания 
 2 – ISO ударная вязкость 35 Дж/см2 при 0 °С 
 3 – ISO ударная вязкость 35 Дж/см2 при – 20 °С 

минимальный 
предел 
прочности 
при 
растяжении, 
кг/мм2*

(умноженный на 9,81 дает Н/мм2) 

Указание: нелегированная конструкционная сталь. 

Пример  

St 
33               -2 

 
    группа качества  

минимальный предел прочности при растяжении  
33 кг/мм2 = 324 Н/мм2 

нелегированная конструкционная сталь 

У мелкозернистых сталей подразделение происходит по минимальному пределу текучести. Характеристика мелкозернистых сталей происходит путем вставки буквы "Е" после сокращения St. 
 
Обозначение  
группа материала 

StEYYY   -Z 

группа качества 

                                        минимальный предел текучести, Н/мм2 
Указание: мелкозернистая конструкционная сталь. 

Пример 

StE       255 

 
минимальный предел текучести 255 Н/мм2 

мелкозернистая конструкционная сталь 

 
Сталь для специальных целей, например сталь для динамомашин и 
для трансформаторов, термобиметаллы (ТВ), сплавы для постоянных магнитов и материалы для реле (R) маркируются специально. 
 
Нелегированная качественная сталь. Нелегированные качественные стали отличаются особыми свойствами, например способностью к 
глубокой вытяжке, пригодностью к обработке на автоматах или нечувствительностью к хрупкому излому. 

Обозначение 
группа материала 

СXX 
                                содержание углерода, % • 100 

Указание: нелегированная качественная сталь. 

Обозначение 

СХХ WZ 

                     классы качества 
(1-е качество) для инструментов для 
обработки со снятием стружки; 
(2-е качество) для простых режущих и 
прессовых инструментов; 
(3-е 
качество) 
для 
резцов 
и 
молотков 
S
(специальные цели) для ножей, топоров и т. д. 

условный знак– инструментальная сталь 

 содержание углерода, %•100 

нелегированная качественная сталь 

Пример  
 
C80W1 
 
Для областей специального использования существуют характеристики, отличающиеся от систематики. Для проволоки заменяется, например, С на D, листы для котлов будут обозначаться от HI до HIV. 
 
Нелегированная высококачественная сталь. Эти виды стали отличаются по сравнению с качественной сталью более высокой чистотой. 
Особые признаки качества выражаются маленькими буквами после знака 
С. 
 

Обозначение 

             группа материала 

СZXX 

               содержание углерода, % •100 

признак качества: 

f – может подвергаться поверхностной и 
индукционной закалке 

к – небольшое содержание фосфора и серы 

q – пригоден для холодной высадки 

нелегированная сталь