Электротехническое и конструкционное материаловедение

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ 
И КОНСТРУКЦИОННОЕ 
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Учебное пособие

Москва

ИНФРА-М

2019

Э45

УДК 
620.18(075.8) 
ББК 
31.23я73 
Э45

ФЗ

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 
высшего образования «Юго-Западный государственный университет» (ЮЗГУ)

Рецензент:

Борсяков Анатолий Сергеевич — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой общетехнических дисциплин Воронежского государственного университета инженерных технологий

Электротехническое и конструкционное материаловедение : учебное пособие / В.Н. Гадалов, А.Н. Горлов, И.В. Ворначева 
[и др.]. — Москва : ИНФРА-М, 2019. — 142 с.

ISBN 978-5-16-106519-8 (online)

В учебном пособии рассматриваются методы экспериментального 
изучения материалов, пути повышения прочности. Показана связь технологии получения материалов с их прочностной надежностью. Изложены основы физики прочности материалов, из которых следуют рекомендации по 
оптимизации структуры и свойств композитов для различных условий 
службы.

УДК 
620.18(075.8) 
ББК 
31.23я73

ISBN 978-5-16-106519-8 (online)
© Коллектив авторов, 2019

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................ 4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ И 
ПЛАСТИЧНОСТИ СПЛАВОВ..............................................................................5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ 
МЕТАЛЛОВ..............................................................................................................12

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И 
СПЛАВОВ.................................................................................................................18

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ...............25

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5 ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ 
СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ СВИНЕЦ-СУРЬМА..............................................33

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАКРОСТРУКТУРЫ И 
МИКРОСТРУКТУРЫ СПЛАВОВ..................................................................... 44

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7 МИКРОАНАЛИЗ УГЛЕРОДИСТЫХ 
СТАЛЕЙ....................................................................................................................57

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8 МИКРОАНАЛИЗ ЧУГУНОВ...................66

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9 СПОСОБЫ ЗАКАЛКИ СТАЛИ.................74

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №10 ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА 
СТАЛИ....................................................................................................................... 82

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №11 ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ.... 98

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №12 МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ 
ПОРОШКИ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ WC-CO, ПОЛУЧЕННЫЕ 
ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННЫМ ДИСПЕРГИРОВАНИЕМ.................................116

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №13 ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО 
ЛЕГИРОВАНИЯ ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ШТАМПОВОЙ 
ОСНАСТКИ............................................................................................................121

ПРИЛОЖЕНИЕ. ТЕСТЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ....................................... 131

Электротехническое и конструкционное материаловедение. Лабораторные работы 3

Электротехническое и конструкционное материаловедение. Лабораторные работы

ВВЕДЕНИЕ

Предлагаемые лабораторные работы, представленные в 
учебном пособии, составлены в соответствии с рабочей программой по курсу «Электротехническое и конструкционное материаловедение», которые формируют основные представления о 
строении и свойствах материалов, о закономерностях, связывающих структуру материалов с их свойствами, о методах и способах 
обработки материалов для получения заданных характеристик 
изделия для студентов направления подготовки 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника.

Лабораторные работы по электротехническому и конструкционному материаловедению служат для лучшего усвоения студентами теоретического материала, помогают студентам овладеть 
практическими умениями и навыками в обращении с приборами 
и оборудованием для проведения обработок и испытаний материалов, а также позволяют самостоятельно получать и анализировать результаты исследования.

При подготовке к правильному и сознательному выполнению лабораторной работы студент обязан изучить учебную литературу и лекционный материал по теме занятия, заранее подготовить протокол работы и проверить свои знания по контрольным 
вопросам.

Во время выполнения лабораторной работы студенты обязаны следовать рекомендованному порядку выполнения работы, 
строго соблюдать правила техники безопасности, точно выполнять указания учебного персонала, бережно относиться к приборам и оборудованию, соблюдать чистоту и порядок в лаборатории.

Представляемый к защите отчёт о выполненной работе должен быть аккуратно оформлен, содержать краткое изложение работы, необходимы рисунки, таблицы и выводы.

Электротехническое и конструкционное материаловедение. Лабораторные работы 5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ 
И ПЛАСТИЧНОСТИ СПЛАВОВ

Цель работы: приобрести практические навыки по технике 
испытаний сплавов на растяжение, научиться определять показатели прочности и пластичности по диаграмме растяжения и результатам измерений образцов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Механическими свойствами материалов называют свойства, 
которые выявляются испытаниями при воздействии внешних нагрузок. В результате таких испытаний определяют количественные характеристики механических свойств. Эти характеристики 
необходимы для выбора материалов и режимов их технологической обработки, расчетов на прочность деталей и конструкций, 
контроля и диагностики их прочностного состояния в процессе 
эксплуатации.

Контроль механических свойств начинается еще при производстве металла на металлургических заводах. При изготовлении 
изделий металл подвергается различной технологической обработке, под воздействием которой происходит изменения в структуре и механических свойствах. Поэтому необходим контроль механических свойств металла и на различных стадиях изготовления деталей.

К основным механическим свойствам следует отнести прочность, пластичность, упругость, вязкость, твердость. Зная механические свойства, конструктор при проектировании обоснованно выбирает соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность машин и конструкций при их минимальной массе. Испытания на растяжение позволяют получить 
достаточно полную информацию о механических свойствах материала.

Электротехническое и конструкционное материаловедение. Лабораторные работы

Сопротивление материала действующей на него нагрузке 
часто сопровождается изменением размеров и формы тела. Эти 
изменения называются деформацией. Если деформация исчезает 
после снятия нагрузки, то она называется упругой, если остается - 
пластической.

Прочность - это свойство материалов сопротивляться деформированию и разрушению под действием внешних нагрузок.

Пластичность - это свойство материалов необратимо деформироваться без нарушения сплошности под действием внешних напряжений.

Упругость - это свойство материала восстанавливать свою 
форму и объем после снятия нагрузки, вызвавшей деформацию.

АППАРАТУРА, РЕАКТИВЫ И МАТЕРИАЛЫ:

1. Разрывная испытательная машина.
2. Штангенциркуль с точностью отсчета 0,05 мм.
3. Микрометр с пределами измерений 0...25мм.
4. Разрывные образцы из сталей.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. 
Изучить устройство и принцип работы испытательной 
(разрывной) машины (рис. 1). Ознакомиться с правилами техники 
безопасности при работе на машине.

Испытания проводят на специальных образцах, имеющих в 
поперечном сечении форму круга (цилиндрические образцы) или 
прямоугольника (плоские образцы). На рисунке 2 представлена 
схема цилиндрического образца на различных стадиях растяжения.

Электротехническое и конструкционное материаловедение. Лабораторные работы 7

Рисунок 1 - Схема испытательной (разрывной) машины: 
1 - собственно машина* 2 - винт грузовой, нижний захват 
(активный),- образец, 5 - верхний захват (пассивный),
6 - силоизмерительный датчик, 7 - пульт управления с 
электроприводной аппаратурой; 8 - индикатор нагрузок, 
9 - рукоятки управления, 10 - диаграммный механизм,

11 -  кабель

2. 
Разметить, произвести измерения образцов. Затем образец 
закрепить в вертикальном положении в захватах испытательной 
машины и испытать его на растяжение.

Рисунок 2 - Схема цилиндрического образца на различных 
стадиях растяжения

В процессе испытания диаграммный механизм непрерывно 
регистрирует так называемую первичную (машинную) диаграмму

Электротехническое и конструкционное материаловедение. Лабораторные работы

растяжения в координатах нагрузка (Р) - абсолютное удлинение 
образца (АГ) (рис. 3). На диаграмме растяжения пластичных металлических материалов можно выделить три характерных участка: ОА - прямолинейный, соответствующий упругой деформации; 
участок АВ - криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при возрастании нагрузки; участок ВС - также 
криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при снижении нагрузки. В точке С происходит окончательное 
разрушение образца с разделением его на две части.

При переходе от упругой к упругопластической деформации 
для некоторых металлических материалов на машинной диаграмме растяжения может появляться небольшой горизонтальный 
участок, который называют площадкой текучести АА’ (рис.3,а).

Однако многие металлы и сплавы деформируются при растяжении без площадки текучести.

Рисунок 3 - Схема машинных диаграмм растяжения пластичных 
материалов: (а) - с площадкой текучести,

(б) - без площадки текучести

С увеличением упругопластической деформации усилие, с 
которым сопротивляется образец, растет и достигает в точке В 
своего максимального значения. Для пластичных материалов в 
этот момент в наиболее слабом сечении образца образуется лоЭлектротехническое и конструкционное материаловедение. Лабораторные работы 9

кальное сужение (шейка), где при дальнейшем деформировании 
происходит разрыв образца. На участке ОАВ деформация распределена равномерно по всей длине образца, а на участке ВС 
деформация практически вся сосредоточена в зоне шейки.

До точки А деформация пропорциональна напряжению. 
Тангенс угла наклона прямой ОА к оси абсцисс характеризует 
модуль упругости материала Е, уравнение (1):

Е = о/5, 
(1)

где а - напряжение; 5 - относительная деформация.

Модуль упругости определяет жесткость материала. Физический смысл Е сводится к тому, что он характеризует сопротивляемость материала упругой деформации, т.е. смещение атомов 
из положения равновесия в решетке.

4. При растяжении определить следующие показатели прочности и пластичности материалов.

4.1. Показатели прочности:
Предел текучести (физический) (от) - это наименьшее напряжение, при котором материал деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки:

oT=PyFo, 
(2)

где Рх - нагрузка, соответствующая площадке текучести на диаграмме растяжения (рис. 3, a); F0 - начальная площадь поперечного сечения.

Если на машинной диаграмме растяжения нет площадки текучести (рис. 3, б), то задаются допуском на остаточную деформацию образца и определяют условный предел текучести.

Условный предел текучести (а0<2) - это напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от начальной расчетной длины образца:

Оо,2 = P(b2/F(b 
(3)

где Р0 2 - нагрузка, соответствующая остаточному удлинению

Д1о,2=0,002 /о

Электротехническое и конструкционное материаловедение. Лабораторные работы

Временное сопротивление (предел прочности) (а„) - это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Ртах, предшествующей разрыву образца:

Ов = Pmax/Fo, 
(4)

Истинное сопротивление разрыву (SK) - это напряжение, 
определяемое отношением нагрузки Рраз в момент разрыва к площади поперечного сечения образца в месте разрыва FK:

Sk= Рраз/FK 
(5)

4.2. Показатели пластичности:
Относительное удлинение (S) - отношение приращение длины образца после разрыва к его начальной длине:

8 = 1к ~ 1° • 100% 
(6)

h

Относительное сужение (у/) - отношение наибольшего 
уменьшения площади поперечного сечения образца к его начальной площади поперечного сечения:

Fq — Fir

v  = — ----— • 100% 
(7)

F0

5. 
Характеристики материалов а0,2, <тв, 5, vp, а так же Е являются базовыми - они включаются в ГОСТ на поставку конструкционных материалов, в паспорта приемочных испытаний, а также 
входят в расчеты прочности и ресурса.

Полученные экспериментальные и расчетные данные оформить в виде таблицы 1.

Таблица 1 - Экспериментальные и расчетные данные

Размеры образца, мм

Механические

свойства
№
До испытаний

После испытаний

Нагрузка, Н

h
do
F„
к
dk
F k
Ро,2 РЛ max Рл раз
О0,2
о .
s k
8
V

1

Электротехническое и конструкционное материаловедение. Лабораторные работы 11

5. Оформить отчет и сделать необходимые выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Охарактеризуйте механические свойства материалов.
2. Какие показатели механических свойств определяются 
при испытаниях на растяжение?

3. Что такое упругая и пластическая деформация?
4. Назовите основные характеристики прочности металлов, 
как они обозначаются?

5. Назовите основные характеристики пластичности металлов, как они обозначаются?

Электротехническое и конструкционное материаловедение. Лабораторные работы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
1. Изучить понятие твердости металлов.
2. Изучить сущность определения твердости различными 
методами.

3. Научиться измерять твердость наиболее распространенными методами.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Твердость - свойство металла сопротивляться внедрению в 
него другого более твердого тела. Для определения твердости не 
требуется изготовления специальных образцов, испытания проводятся без разрушения металла.

Твердость металла определяют прямыми и косвенными методами: вдавливанием, царапанием, упругой отдачей, магнитным.

При прямых методах в металл вдавливают твердый наконечник (индентор) различной формы (шарик, конус, пирамида) из закаленной стали, алмаза или твердого сплава. После снятия нагрузки на индентор в металле остается отпечаток, который и характеризует твердость.

Метод Бринелля

Сущность метода заключается в том, что шарик (стальной 
или из твердого сплава) определенного диаметра D под действием усилия F, приложенного перпендикулярно к поверхности образца, в течение определенного времени вдавливается в испытуемый металл (рисунок 4, а). Величину твердости по Бринеллю определяют исходя из измерений диаметра отпечатка d после снятия 
усилия. Диаметр отпечатка измеряют специальным микроскопом 
или лупой Бринелля с точностью 0,05 мм.

При измерении твердости по Бринеллю применяются шарики диаметром 1,0; 2,0; 2,5; 5,0; 10,0 мм. При твердости металлов 
менее 450 единиц для измерения твердости применяют стальные