Металловедение цветных металлов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2147 

Кафедра металловедения цветных металлов

В.С. Золоторевский 
А.В. Поздняков 
А.В. Михайловская 

Металловедение цветных 
металлов 

 

Лабораторный практикум 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2012 

УДК 669.2/.8 
 
З-80 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, доц. Т.А. Базлова 

Золоторевский, В.С. 
З-80  
Металловедение 
цветных 
металлов : лаб. 
практикум / 
В.С. Золоторевский, 
А.В. Поздняков, 
А.В. Михайловская. – 
М. : Изд. Дом МИСиС, 2012. – 79 с. 
 

В практикуме представлены лабораторные работы, которые знакомят 
студентов с методами определения свойств металлов и сплавов, с техникой 
микроструктурного анализа металлографических шлифов, с типичными микроструктурами сплавов двойных систем, со стандартами и  микроструктурами  стандартных отожженных углеродистых сталей, чугунов, алюминиевых, 
медных, магниевых и титановых сплавов. 
Практикум соответствует программе дисциплины «Металловедение 
цветных металлов». 
Предназначен для студентов, обучающихся по направлению 080200 «Менеджмент», профиль «Экономика и управление на предприятии (металлургия)», а также по специальности 080502 «Экономика и управление на предприятии (металлургия)». 
 

 

 
© Золоторевский В.С., 
Поздняков А.В., 
Михайловская А.В., 2012 

СОДЕРЖАНИЕ 

 
Лабораторная работа 1. Методы исследования свойств 
сплавов.......................................................................................................4 
Лабораторная работа 2. Основы микроструктурного 
анализа. Типичные микроструктуры сплавов и 
микроструктуры отожженных углеродистых сталей и чугунов........16 
Лабораторная работа 3. Микроструктуры алюминиевых и 
медных сплавов.......................................................................................34 
Лабораторная работа 4. Микроструктуры магниевых 
и титановых сплавов ..............................................................................50 
Приложение 1. Сплавы алюминиевые литейные ...........................63 
Приложение 2. Сплавы алюминиевые деформируемые................68 
Приложение 3. Магниевые сплавы..................................................71 
Приложение 4. Титановые сплавы...................................................75 
 

Лабораторная работа 1 

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ 
СПЛАВОВ 

(2 часа) 

1.1. Цель работы 

Получение навыков измерения твердости и удельного электросопротивления металлов и сплавов и расчета механических свойств по 
диаграммам деформации. 

1.2. Теоретическое введение 

1.2.1. Измерение твердости 

Твердость – это свойство, характеризующее сопротивление материала внедрению в его поверхность другого, более твердого тела 
(индентора) определенной формы и размера, не получающего остаточной деформации. 
Определение твердости относится к статическим испытаниям. 
При статических испытаниях на твердость индентор медленно вдавливается нормально поверхности образца. Существующие методы 
измерения твердости значительно отличаются один от другого по 
форме применяемых инденторов, условиям приложения нагрузки и 
способу расчета чисел твердости. Выбор метода зависит от твердости 
испытуемого материала и толщины слоя, твердость которого нужно 
измерить. 
При измерении твердости особое внимание должно быть уделено 
подготовке поверхности образца. На поверхности не должно быть 
окалины, выбоин, грубых царапин и посторонних веществ. 
Поскольку при испытаниях на твердость нагрузка на образец передается нормально испытуемой поверхности, последняя должна 
быть плоскопараллельна опорной поверхности (столику). Неплоские 
образцы крепятся на опорных столиках, которые входят в комплект 
прибора или специально для этих целей изготовляются. 
Результаты испытаний зависят от времени приложения нагрузки к 
индентору и времени выдержки под нагрузкой τ. При стандартных 

методах определения твердости τ обычно составляет 15 с для цветных и 10 с для черных металлов. 
Поверхность испытуемого металла часто неоднородна по химическому составу и строению. Это может привести к разбросу значений 
твердости. Для получения достоверных данных по твердости на каждом образце делают несколько замеров (3–10) в зависимости от метода измерения твердости и рассчитывают среднее арифметическое 
значение. 
Существует несколько стандартных методов измерения твердости: по Бринеллю (НВ), по Роквеллу (HR) и по Виккерсу (HV). 

Определение твердости по Бринеллю (ГОСТ 9012–59) 

Метод основан на том, что в плоскую поверхность металла вдавливается под постоянной нагрузкой Р твердый шарик из закаленной 
стали диаметром D, который может быть равен 2,5; 5 и 10 мм 
(рис. 1.1). После снятия нагрузки в испытуемом металле остается отпечаток, диаметр d которого измеряют. 

 

Рис. 1.1. Схема измерения твердости методом вдавливания  
стального шарика 

Число твердости по Бринеллю рассчитывают по формуле 

 

2
2

2
HB

(
)

P
P
F
D D
D
d

=
=
π
−
−
, 
(1.1) 

где P – нагрузка; F – площадь поверхности отпечатка. 

Размерность [кгс/мм2] после значения твердости не пишется. Например, при измерении твердости шариком диаметром D = 10 мм 
под нагрузкой Р = 3000 кгс с выдержкой τ = 10 с число твердости по 

Бринеллю записывается так: 400 НВ, 250 НВ  и т.п. Допускается использование размерности [МПа], которая должна указываться после 
числа твердости (например, НВ = 2300 МПа). 
Для измерения твердости используют приборы рычажного типа. 
На рис. 1.2 представлена схема твердомера для определения твердости по Бринеллю. 

 

Рис. 1.2. Схема твердомера ТШ-2: 
1 – маховик; 2 – подъемный винт; 3 – специальный механизм;  
4 – кнопка-выключатель; 5 – столик; 6 – шпиндель; 7 – упорный 
чехол; 8 – втулка; 9 – пружина; 10 – шпиндель; 11 – сигнальная 
лампа; 12, 15 – рычаги; 13 – серьга; 14 – микропереключатель;  
16 – вилка; 17 – шатун; 18 – грузы; 19 – кривошип; 20 – редуктор;  
21 – электродвигатель 

Прибор ТШ-2 (см. рис. 1.2) смонтирован в массивной станине. На 
подъемном винте 2, перемещающемся при вращении маховика 1, установлен столик 5, на котором располагается испытуемый образец. В 
верхней части станины имеется шпиндель 6, в который вставляют 
наконечник с шариком. Нагрузка прилагается к шарику через систе

му рычагов. На длинном плече рычага 15 имеется подвеска, на которую накладываются грузы 18. При включении электродвигателя нагрузка передается на шаровидный индентор. Продолжительность испытания задается специальным механизмом 3. Выключение прибора 
происходит автоматически. 
Наконечник с шариком закрепляют в шпинделе 6. На подвеске устанавливают требуемую нагрузку. Испытуемый образец помещают 
на столик 5 и, вращая маховик 1 вправо до упора, прикладывают к 
образцу предварительную нагрузку для устранения смещения образца во время испытания. Затем включают электродвигатель и по 
окончании испытания вращением маховика 1 в обратную сторону 
(вправо, против часовой стрелки) опускают столик, снимают образец 
и с помощью специальной лупы или инструментального микроскопа 
измеряют диаметр шарового отпечатка.  
Правильность показаний твердомера проверяют по контрольным 
стальным плиткам с известной твердостью, прилагаемым к прибору.

Диаметр шарового индентора и величину нагрузки выбирают в 
зависимости от испытуемого металла. Отношение d/D поддерживают 
в пределах 0,2…0,6. Обычно при испытании стали и чугуна устанавливают шарик диаметром D = 10 мм и нагрузку Р = 3000 кгс; при испытании большинства конструкционных сплавов цветных металлов 
D = 10 мм и Р = 1000 кгс; при испытании мягких металлов и некоторых их сплавов (алюминий, цинк, олово и др.) D = 5 мм и 
Р = 250 кгс. Толщина образца (b) должна превышать глубину отпечатка (h) примерно в 10 раз. Глубину отпечатка, мм, можно оценить 
по формуле 

 
F
h
D
= π
,  
(1.2) 

где F – площадь шаровой поверхности отпечатка, которую можно 
рассчитать из соотношения (1.1), мм2. 

Определение твердости по Виккерсу (ГОСТ 2999–59) 

При измерении твердости по Виккерсу в поверхность образца под 
нагрузкой вдавливается алмазный индентор в форме четырехгранной 
пирамиды с углом при вершине α = 136°. После снятия нагрузки измеряют диагональ отпечатка d, оставшегося на поверхности образца 
(рис. 1.3). Число твердости по Виккерсу HV определяют отношением 

нагрузки Р, кгс, к площади боковой поверхности полученного пирамидального отпечатка, мм2, и оценивают по формуле 

 
2
HV
1,854 P

d

=
. 
(1.3) 

 

Рис. 1.3. Схема измерения твердости по Виккерсу 

Пример записи числа твердости по Виккерсу – 600 HV. 
Относительно небольшие нагрузки (10 кгс) и малая глубина вдавливания индентора (менее 1 мм) обусловливают необходимость более тщательной подготовки поверхности образца, чем в случае измерения твердости по Бринеллю. Поверхность для определения твердости по Виккерсу должна быть отполирована. При грубой структуре 
образца может возникнуть большой разброс значений НV в разных 
точках образца. Для получения достоверных средних значений необходимо на каждом образце делать не менее 10 замеров. 

Определение твердости по Роквеллу (ГОСТ 9013–59) 

При этом методе твердость определяют по глубине отпечатка. 
Индентор – алмазный конус с углом при вершине 120° и радиусом 
закругления 0,2 мм или шарик диаметром 1,5875 мм (1/16 дюйма) 
вдавливается в образец под действием двух последовательно прикла

дываемых нагрузок – предварительной Р0 и общей Р = Р0 + Р1, где 
P1 – основная нагрузка. 
Твердость измеряется в условных единицах (HR). При определении твердости по Роквеллу с использованием алмазного конуса 
(рис. 1.4) сначала иидентор вдавливается в испытуемый материал 
под предварительной нагрузкой Р0 = 100 Н, которая не снимается до 
конца испытания. Под этой нагрузкой алмазный конус погружается в 
образец на глубину h0. Затем на индентор подается основная нагрузка либо – 500 Н, либо 1400 Н, в зависимости от материала образца. 
При использовании в качестве основной нагрузки 500 Н определение 
твердости производится по шкале прибора А. Число твердости (считывается со шкалы прибора) записывается с буквенным обозначением HRA, например HRA 80. Если основная нагрузка равна 1400 Н, то 
твердость определяется по шкале С и записывается с буквенным обозначением HRC, например HRC 50. 

 

Рис. 1.4. Схема измерения твердости по Роквеллу 

Для обеих шкал число твердости определяется по формуле 
HRC (HRA) = 100 – е, где е = (h – h0)/0,002 (0,002 мм – цена деления 
шкалы индентора твердомера Роквелла); h – глубина вдавливания 
под основной нагрузкой. 
При использовании в качестве индентора стального шарика – 
Р0 = 100 Н, P1 = 900Н и Р = 1000 Н – число твердости определяется 
по шкале В и обозначается HRB, например HRB 50. В этом случае 
HRB = 130 – е. Ценность метода в том, что его применение  в заводских условиях позволяет достичь высокой производительности испытаний, поскольку число твердости считывается прямо со шкалы 
прибора. 

1.2.2. Испытания на растяжение 

Испытания на растяжение – наиболее широко используемый вид 
испытаний для оценки механических свойств металлов и сплавов. 
Этот метод сравнительно легко подвергается анализу, позволяет в 
одном опыте определять сразу несколько важных механических характеристик материала, являющихся критерием его качества и необходимых для конструкторских расчетов. 
При проведении испытания на растяжение используют образцы с 
круглым и прямоугольным сечением. На рис. 1.5 приведен пример 
стандартизованного образца круглого сечения. Кроме рабочей части 
все образцы имеют головки, форма и размеры которых зависят от 
конструкции захватов испытательной машины. На рабочей длине 
образца l наносится расчетная длина l0. По увеличению l0 определяют 
удлинение образца.  
Наиболее широко используют образцы с диаметром на рабочей 
длине d0 = 6 мм и расчетной длиной l0 = 30 мм. Это соответствует пятикратному образцу с l0 = 5d0. 

 

Рис. 1.5. Стандартный цилиндрический образец для испытаний  
на растяжение 

Характеристикой пластичности при растяжении является относительное удлинение δ, которое определяется непосредственно на растянутом образце по формуле 

 
к
0

0

100 %
l
l
l
−
δ =
⋅
, 
(1.4) 

где lк – длина образца после разрушения, мм. 

Основным результатом испытания на растяжение является первичная диаграмма растяжения в координатах «нагрузка Р (сопротив

ление деформации) – абсолютная деформация (удлинение) Δl». Диаграмма растяжения (рис. 1.6) описывает поведение материала образца в процессе испытания начиная с упругой деформации и кончая 
разрушением. По этой диаграмме рассчитывают все основные характеристики сопротивления деформации и разрушению. Вид первичных диаграмм растяжения различен у разных материалов. На рис. 1.6 
показана диаграмма растяжения образцов, разрушающихся  после 
образования шейки в результате сосредоточенной деформации. Рассмотрим на примере этой диаграммы методику расчета характерных 
прочностных свойств. 

  

Рис. 1.6. Диаграмма растяжения пластичного образца, 
разрушающегося после образования шейки  

По величине Рпц (точка «п») (см. рис. 1.6) определяют предел пропорциональности σпц = Рпц /F0, где F0 – площадь первоначального 
сечения расчетной части образца. Предел пропорциональности характеризует то напряжение, до которого соблюдается закон пропорциональности между нагрузкой и деформацией. Поэтому приближенно положение точки «п» можно определить, продолжив прямолинейный участок диаграммы: точка «п» соответствует началу расхождения с кривой растяжения.