Разработка методического обеспечения по специальности 22.02.04 "Металловедение и термическая обработка" для Сергинского многопрофильного техникума

3. Используя ГОСТы, оформить таблицу: Классификация, маркировка и химический состав сталей.

4. Используя ГОСТы, оформить таблицу: Классификация, маркировка и химический состав чугунов.

5. Подготовить доклад на тему: Анализ сплавов по диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов.

6. Подготовить доклад на тему: Правила техники безопасности при проведении металлографического анализа металлов.

71

Учебная практика

Виды работ:

Изучение принципа действия и правил эксплуатации металлографического микроскопа.

Освоение навыков приготовления шлифов для проведения металлографического анализа сплава.

Закрепление знаний по соблюдению правил техники безопасности при проведении металлографического анализа.

36

Раздел ПМ 2. Контроль механических свойств металлов и сплавов

112

МДК.03.01. Металловедение

112

Тема 2.1.

Механические свойства металлов и сплавов и методы их определения

Содержание

50

1

Механические свойства металлов и сплавов. Виды механических испытаний.

6

2-3

2

Механические свойства, определяемые при статических испытаниях. Диаграмма растяжения.

6

2-3

3

Определение твердости и вязкости металлов и сплавов.

6

2-3

4

Механические свойства, определяемые при динамических испытаниях.

6

2

5

Механические свойства, определяемые при переменных (циклических) нагрузках.

6

2

6

Правила техники безопасности при проведении технологических испытаний.

4

2-3

Практические занятия

16

1

Провести статические испытания образцов заданных марок сталей

6

2

Провести динамические испытания образцов заданных марок сталей

6

3

Провести циклические испытания образцов заданных марок сталей

4

Тема 2.2.

Технологические свойства металлов и сплавов и методы их определения

Содержание

38

1

Технологические свойства металлов и сплавов. Виды технологических испытаний.

6

2

2

Технологические свойства металлов, определяемые испытаниями на изгиб.

4

2

3

Технологические свойства металлов, определяемые испытаниями на срез.

4

2

4

Технологические свойства металлов, определяемые испытаниями на осадку.

4

2

5

Технологические свойства металлов, определяемые испытаниями на перегиб.

4

2

6

Правила техники безопасности при проведении технологических испытаний.

4

2-3

Лабораторные занятия

12

1

Провести испытания на изгиб.

4

2

Провести испытания на срез.

4

3

Провести испытания на осадку.

4

Тема 2.3.

Устройство и работа машин и приборов, используемых для механических и технологических испытаний

Содержание

24

1

Конструкция и принцип действия устройства разрывной машины.

4

2

2

Конструкция и принцип действия маятникового копра.

4

2

3

Конструкция и принцип действия твердомеров.

4

2

4

Конструкция и принцип действия микротвердомера.

4

2

5

Конструкция и принцип действия устройств, предназначенных для технологических испытаний.

4

2

Практические занятия

4

1

Познакомиться с конструкцией устройств, предназначенных для проведения технологических испытаний

4

Самостоятельная работа при изучении раздела2 ПМ3.

Регулярная проработка конспектов занятий, учебной и специальной технической литературы по пройденному материалу.

Выполнение домашних заданий.

Подготовка к практическим и лабораторным занятиям с использованием рекомендаций преподавателя.

Оформление практических работ, отчетов, рефератов, докладов по заданной теме.

Изучение видов нормативных документов для проведения металлографической оценки и контроля макро- и микроструктуры металлов.

Изучение методики проведения испытаний металлов.

Примерная тематика внеаудиторной самостоятельной работы:

1. Подготовить доклад по темам: Современное оборудование и технологии проведения испытаний металлов и сплавов.

2. Подготовить доклад на тему: Правила техники безопасности при проведении механических испытаний металлов.

3. Подготовиться к презентации на тему: Поведение механических испытаний металлов.

4. Оформить реферат на тему: Механические свойства металлов и сплавов.

56

Учебная практика

Виды работ:

Изучение принципа действия и правил эксплуатации твердомеров.

Освоение навыков изготовления образцов для проведения испытаний на растяжение и удар.

Закрепление знаний по соблюдению правил техники безопасности при проведении механических и технологических испытаний.

24

Производственная практика

Виды работ:

1.Знакомство с оборудованием для проведения металлографического анализа.

2. Ознакомление с устройством и принципом работы испытательного оборудования

3 Проведение макро- и микроанализа стали под наблюдением лаборанта.

4. Проведение механических испытаний металлических сплавов под наблюдением лаборанта

96

Всего

537

Изучив рабочую программу профессионального модуля ПМ 03.Проведение металлографических исследований и механических испытаний утвержденную в 2011 году и основную профессиональную образовательную программу 22.02.04 Металловедение и термическая обработка металлов утвержденную в 2016 году, мы доработали рабочую программу следующим образом:

1)Проверили соответствие компетенций из ФГОС и из ОПОП на данную специальность и исправили в рабочей программеПМ 03. «Проведение металлографических исследований и механических испытаний» паспорт, и откорректировали таблицу 5 «».

2) Привели в соответствие названия разделов содержания МДК «Металловедение» в таблице 3.1 «Тематический план профессионального модуля» и 3.2 «Содержание обучения по профессиональному модулю».

3)В Разделе 2«Результаты освоения профессионального модуля»исключили общекультурную компетенцию ОК10 «Исполнять воинскую обязанность…»поскольку содержание модуля позволит только частично ориентировать студентов придерживаться гражданской позиции

4) В рабочей программе в таблице 5 «Контроль и оценка результатов освоения профессионального модуля» для каждой компетенции и показателя оценки уточнили формы и методы контроля.

2.2 Разработка методических указаний для лабораторных работ по металлографическому анализу макро- и микроструктур стали

Спроектированные нами методические комплекты по структуре своей соответствуют основным требованиям, которые встречаются в профессионально-педагогической литературе и состоят из следующих пунктов и указаний к каждой лабораторной работе включающие в себя:

- Названия;

- Цели;

- Материально-техническое обеспечение;

-Техника безопасности;

- Теоретическая часть;

- Порядка выполнения;

- Контрольные вопросы;

- Отчет.

В ходе проектирования методических указаний нами была проведена работа по компилированию материалов, выполнение по пунктам и объединению информации в лабораторные работы.

Таким образом, мы выполнили методические разработки лабораторных работ, которые предусмотрены рабочей программой профессионального модуля и календарно-тематическим планом.

Лабораторная работа №1

Изготовить макрошлифы для металлографического анализа.

Цель работы: Формирование навыков и умений использования физико-химических методов исследования металлов. Освоение приемов приготовления макрошлифов. Приобретение знаний основных свойств материалов, использующихся в профессиональной деятельности;

1. Материально-техническое обеспечение работы:

Специальные химические реактивы - травители, резиновые перчатки, салфетки, макрошлифы, напильники, фарфоровые чашки для травления, щипцы.

2. Техника безопасности при выполнении работы.

1. Травление выполнять под вытяжкой в резиновых перчатках.

2. Не прикасаться к реактивам и посуде для них без резиновых перчаток.

3. Теоретическая часть.

1. Металлографические шлифы.

Макроструктурой называется строение металла, видимое без увеличения или при небольшом увеличении до 10…30 раз с помощью лупы.

Макроструктура исследуется непосредственно на поверхности изделия, на изломе или на специально подготовленном образце (темплете), который называется макрошлифом. Макрошлиф получают после шлифования и последующего травления поверхности специальными реактивами.

Макроанализ применяется для выявления дендритного строения литых деталей, газовых пузырей, пустот, трещин, шлаковых включений, структурной неоднородности, качества сварных соединений, ликвации серы и фосфора, расположения волокон в поковках, штамповках и т. д.

2.Получение плоской поверхности

На вырезанном образце выравнивают поверхность, которая предназначена для макроанализа. Получение плоской поверхности, т.е. грубая шлифовка достигается:

-опиливанием напильником (если материал мягкий). Напильники выбирают по таблице 4.

Таблица 4. Классификация напильников.

Класс напильника	Припуск на обработку	Слой металла, снимаемый за один ход	Достигаемая точность обработки
Драчевый № 0 и 1 Личной №2 и 3 Бархатный № 4 и 5	0,5-12 0,1-0,3 0,025-0,05	0,1-0,2 0,02-0,03 0,025-0,01	0,25-0,6 0,02-0,005 До 0,01

-заточкой на абразивном круге (если материал твердый).

Полученную плоскую поверхность образца шлифуют на шлифовальной (наждачной) шкурке с зернами различных размеров (номеров)

3.Шлифование

Шлифование начинают на шкурке с более крупным абразивным зерном, затем постепенно переходят на шлифование шкуркой с более мелким абразивным зерном. Зернистость шкурки выбирают из таблицы 5.

Шлифуют вручную на шкурке, положенной на толстое стекло, или на специальных шлифовальных станках. При шлифовании вручную образец подготовленной плоскостью прижимают рукой к шлифовальной шкурке и водят им по бумаге в направлении, перпендикулярном к рискам, полученным после опиливания напильником. При замене шкурки одного размера зернистости другим образец вытирают ватой и поворачивают на 90°, чтобы риски при последующей обработке получались перпендикулярными к рискам от предыдущей обработки.

Таблица 5. Зернистость шкурки.

№ зернистости шлифовального порошка	Размер зерна, мкм	№ зернистости микропорошка	Размер абразивного зерна, мкм
100	150-125	М28	28-30
120	125-105	М20	20-14
150	105-75	М14	14-10
180	85-63	М10	10-7
220	75-53	М7	7-5
280	53-28	М5	5-3,5
320	42-20

Шлифовку проводят на 4?5 номерах шлифовальной бумаги, которые выбирают в зависимости от свойств обрабатываемого материала.

Можно шлифовать также специальными пастами, нанесенными на небольшие листы чертежной бумаги.

4.Полирование

После окончания шлифования на шлифовальной шкурке самой мелкой зернистости полированием удаляют риски и обрабатываемая поверхность образца получается блестяще зеркальной. Полировать можно механическим и электролитическим способами.

Механическое полирование производят на специальном полировальном станке, обтянутым сукном или фетром. Сукно смачивают полировальной жидкостью.

Полировальными составами являются:

-взвешенные в воде мелкие порошки окиси алюминия (глинозем),

-окись хрома, окись железа (крокус)

-окись магния (магнезия).

Чаще для полирования применяются окись хрома и окись алюминия. Полировальную жидкость составляют в следующей пропорции: на 1 литр воды 10-15 граммов окиси хрома или 5 граммов окиси алюминия.

После полирования образец промывают водой; полированную поверхность протирают ватой, смоченной спиртом, а затем просушивают прикладыванием фильтровальной бумаги или легким протиранием сухой ватой.

Чтобы предохранить полированную поверхность от окисления, образцы хранят в эксикаторе с хлористым кальцием.

5.Травление

Выявление ликвации серы.Для выявления в стали ликвации серы применяют метод Баумана. Макрошлиф протирают ватой, смоченной в спирте. На поверхность макрошлифа накладывают лист фотобумаги, вымоченной в течение 5…10 мин в водном растворе с массовой долей серной кислоты 5 %, проглаживают резиновым валиком для удаления излишков раствора и пузырьков газа, выдерживают 2-3 мин и осторожно снимают.

Отпечаток промывают в воде, фиксируют в растворе с массовой долей гипосульфита 25 %, снова промывают и высушивают. Коричневые пятна на фотобумаге соответствуют участкам поверхности шлифа, обогащенным серой. Фотобумага окрашивается в результате взаимодействии серной кислоты и MnS: MnS+H₂SO₄=MnSO₄+H₂S.

Сероводород действует на бромистое серебро эмульсионного слоя и при этом образуется сернистое серебро, имеющее темно-коричневый цвет: 2AgBr+H₂S=Ag₂S+ 2HBr.

Выявление ликвации фосфора.Поверхность образца протирают ватой, смоченной спиртом; образец погружают на 1…2 мин в раствор состава: 85 г хлористой меди, 53 г хлористого аммония в 1000 см³воды. В результате обменной реакции железа с раствором на поверхности образца осаждается слой меди. Образец вынимают из реактива, протирают ватой под струей воды для удаления слоя меди, и просушивают.

Более темные участки на поверхности макрошлифа обогащены фосфором. На светлых участках содержание фосфора меньше.

Выявление строения литой стали.Дендритное строение литой стали выявляют травлением в водном растворе с массовой долей персульфата аммония 15 %, предварительно подогретом до 80…90єС. Образец погружают в горячий раствор на 10…15 мин, затем промывают водой и просушивают.

Выявление волокнистого строения стали.Для выявления волокнистости применяют реактив и методику для выявления ликвации фосфора, описанные выше.

Выявление структуры сварного шва на углеродистых сталях. Для выявления структуры сварного шва на углеродистых сталях применяют спиртовой раствор с массовой долей азотной кислоты 4 %. Макрошлиф травят, протирая ватным тампоном, смоченным в реактиве, или погружая в реактив с последующей промывкой в воде и сушкой. Продолжительность травления до тридцати минут.

Выявление ликвации углерода или глубины закаленного слоя. Для выявления ликвации углерода или глубины закаленного слоя применяют реактив Гейне, содержащий 35 гCuCl₂и 53 гNH₄Clв 1000 см³воды. Образец погружают в реактив. В результате обменной реакции поверхность покрывается слоем меди. На участках обогащенных углеродом, закаленных или имеющих дефекты (поры, раковины, трещины и т.п.), медь выделяется менее интенсивно и не защищает поверхность от травления хлористым аммонием. Эти участки окрашиваются в темный цвет. Таким реактивом можно выявлять также структуру сварного шва и зоны термического воздействия.

Выявление дефектов, нарушающих сплошность металла.Для выявления дефектов на изделиях из углеродистых и низколегированных сталей нужен реактив, состоящий из 4…10 см³ азотной кислоты и 90…96 см³ воды.

Травитель применяют в холодном состоянии. Продолжительность травления до 30 мин. Макрошлиф погружают в раствор или протирают его поверхность ватным тампоном, смоченном в реактиве, промывают и сушат.

4. Порядок выполнения работы:

1. Изучить теоретическую часть.

2. Ответить на контрольные вопросы.

3. Подготовить макрошлифы.

4. Отшлифовать вырезанный образец как указанно в теоретических сведениях.

5. Отполировать вырезанный образец.

6. Протравить приготовленный шлиф реактивом.

7. Заполнить таблицы отчета.

8. Выводы.

5. Контрольные вопросы

1) Что представляет собой макрошлиф?

2) С какой целью макрошлиф подвергают травлению?

3) Основные этапы подготовки макрошлифа?

4) Может ли макрошлиф помочь определить причину брака, допущенного при изготовлении детали?

5) Что можно выявить на отполированном, но не протравленном макрошлифе?



Таблица отчёта

№ образца	Марка стали	Напильник	№ зернистости шкурки	Состав травителя	Состав полировальной жидкости

Зарисовать макрошлиф с размерами

Лабораторная работа №2

Изготовить микрошлифы для металлографического анализа.

Цель работы: Формирование навыков и умений использования физико-химических методов исследования металлов. Освоение приемов приготовления микрошлифов. Приобретение знаний основных свойств материалов, использующихся в профессиональной деятельности.

1. Материально-техническое обеспечение работы:

Реактивы для травления микрошлифов, резиновые перчатки, салфетки, микрошлифы, напильники, фарфоровые чашки для травления, щипцы.

2. Техника безопасности при выполнении работы.

1.Травление выполнять под вытяжкой в резиновых перчатках.

2.Не прикасаться к реактивам и посуде для них без резиновых перчаток.

3. Теоретическая часть

1. Металлографические шлифы.

Большинство свойств материалов зависит от их строения. Исследование внутреннего строения металлов и сплавов с помощью микроскопа при больших увеличениях называется микроанализом металлов.

Внутреннее строение, видимое при больших увеличениях с помощью микроскопа, называется микроструктурой.

Изучение микроструктуры позволяет выявить построение металлов и сплавов из большого числа зерен (кристаллов), их форму, размеры и взаимное расположение. Также можно выявить частицы неметаллических включений, различные фазы в металле, микродефекты (раковины, мелкие трещины) и дефекты кристаллического строения (например дислокации). По микроструктуре можно судить о характере и качестве термической обработки, сварки, литья и др.

Изучение микроструктуры производят на микрошлифах.

Микрошлиф - это специально подготовленный образец металла или сплава. Размеры шлифов указаны на рисунке 1.

Рисунок 1. Металлографические шлифы

Изготовление металлографических шлифов состоит из вырезания образца, шлифовки и полировки.

2.Получение плоской поверхности.

На вырезанном образце выравнивают поверхность, которая предназначена для микроанализа. Получение плоской поверхности, т.е. грубая шлифовка достигается:

Таблица 6. Классификация напильников.

Класс напильника	Припуск на обработку	Слой металла, снимаемый за один ход	Достигаемая точность обработки
Драчевый № 0 и 1 Личной №2 и 3 Бархатный № 4 и 5	0,5-12 0,1-0,3 0,025-0,05	0,1-0,2 0,02-0,03 0,025-0,01	0,25-0,6 0,02-0,005 До 0,01



-опиливанием напильником (если материал мягкий). Напильники выбирают по таблице 6

-заточкой на абразивном круге (если материал твердый).

Полученную плоскую поверхность образца шлифуют на шлифовальной (наждачной) шкурке с зернами различных размеров (номеров)

3.Шлифование

Шлифование начинают на шкурке с более крупным абразивным зерном, затем постепенно переходят на шлифование шкуркой с более мелким абразивным зерном. Зернистость шкурки выбирают из таблицы 7.

Шлифуют вручную на шкурке, положенной на толстое стекло, или на специальных шлифовальных станках. При шлифовании вручную образец подготовленной плоскостью прижимают рукой к шлифовальной шкурке и водят им по бумаге в направлении, перпендикулярном к рискам, полученным после опиливания напильником. При замене шкурки одного размера зернистости другим образец вытирают ватой и поворачивают на 90°, чтобы риски при последующей обработке получались перпендикулярными к рискам от предыдущей обработки.

Таблица 7. Зернистость шкурки.

№ зернистости шлифовального порошка	Размер зерна, мкм	№ зернистости микропорошка	Размер абразивного зерна, мкм
100	150-125	М28	28-30
120	125-105	М20	20-14
150	105-75	М14	14-10
180	85-63	М10	10-7
220	75-53	М7	7-5
280	53-28	М5	5-3,5
320	42-20

Шлифовку проводят на 4?5 номерах шлифовальной бумаги, которые выбирают в зависимости от свойств обрабатываемого материала.

Можно шлифовать также специальными пастами, нанесенными на небольшие листы чертежной бумаги.

4.Полирование

После окончания шлифования на шлифовальной шкурке самой мелкой зернистости полированием удаляют риски и обрабатываемая поверхность образца получается блестяще зеркальной. Полировать можно механическим и электролитическим способами.

Механическое полирование производят на специальном полировальном станке, обтянутым сукном или фетром. Сукно смачивают полировальной жидкостью.

Полировальными составами являются:

-взвешенные в воде мелкие порошки окиси алюминия (глинозем),

-окись хрома, окись железа (крокус)

-окись магния (магнезия).

Чаще для полирования применяются окись хрома и окись алюминия. Полировальную жидкость составляют в следующей пропорции: на 1 литр воды 10-15 граммов окиси хрома или 5 граммов окиси алюминия.

После полирования образец промывают водой; полированную поверхность протирают ватой, смоченной спиртом, а затем просушивают прикладыванием фильтровальной бумаги или легким протиранием сухой ватой. Чтобы предохранить полированную поверхность от окисления, образцы хранят в эксикаторе с хлористым кальцием.

5.Травление

Для выявления микроструктуры шлиф подвергается травлению - кратковременному действию реактива. Реактив и время травления подбирают опытным путем. Обычно травителями для микрошлифов служат слабые растворы кислот, щелочей и солей в воде или спирте. Травление производят погружением шлифа в ванночку с травителем или наносят травитель на полированную поверхность шлифа. Признаком травления обычно служит слабое потускнение зеркального шлифа. После травления шлиф промывают водой или спиртом, сушат фильтровальной бумагой

В результате травления должно быть четкое выявление микроструктуры.

4. Порядок выполнения работы:

1.Изучить теоретическую часть.

2. Ответить на контрольные вопросы.

3. Подготовить микрошлифы.

4. Отшлифовать вырезанный образец.

5. Отполировать вырезанный образец.

6. Протравить приготовленный шлиф реактивом.

7. Заполнить таблицы отчета.

8. Выводы.

5. Контрольные вопросы

1. Зависят ли свойства сплавов от их строения?

2. Что называется микроструктурой?

3. Что называется микрошлифом?

4. Назовите этапы приготовления микрошлифа

5. О чем можно судить по микроструктуре материала?

Таблица отчёта

№ образца	Марка стали	Напильник	№ зернистости шкурки	Состав травителя	Состав полировальной жидкости

Зарисовать микрошлиф с размерами

Лабораторная работа №3

Изучить микроструктуру сплава, используя микроскоп Альтами.

Цель работы: изучение принципов работы металлографического микроскопа, а также изучить микроструктуру сплава.

1. Материально-техническое обеспечение работы

Металлографический микроскоп Альтами, микрошлиф железоуглеродистого сплава или другой образец, предложенный преподавателем.

2. Последовательность выполнения работы и обработка экспериментальных данных

1. Ознакомьтесь со схемой микроскопа Альтами, используя рисунки 3 и 4.

2. Поместите образец в центр стола на круглую вставку и зажмите при необходимости клипсой.

3. Включите микроскоп и проведите настройку освещения с помощью регулятора яркости.

4. Установите объектив х4 и проведите фокусировку, вращая ручки грубой и точной фокусировки.

5. Если освещение видимого поля неравномерно, то подстройте положение конденсора. Настройте апертурную и полевую диафрагмы для получения чёткого и контрастного изображения. Производите настройку обеих диафрагм одновременно. Если апертурную диафрагму настроить так, чтобы диаметр луча света совпадал с диаметром линзы объектива, то можно получить изображение лучшего качества и контраста. Полевая диафрагма используется для того, чтобы отсечь нежелательные отражения лучей от стенок тубуса и возможные искажения по краям видимого поля, поэтому она должна быть настроена так, чтобы совпадать, либо немного перекрывать видимое поле.

6. Смотря правым глазом в правый окуляр, добейтесь чёткого изображения объекта. Если, смотря левым глазом в левый окуляр вы не получили чёткое изображение, то исправьте это, вращая кольцо подстройки диоптрий.

7. Для регистрации изображения с помощью фото/видео принадлежностей, вытяните шток до упора. Световой пучок разделится между бинокуляром и тринокулярным выходом в соотношении 20% на 80%, соответственно. В противном случае оставьте шток в утопленном положении.

8. Найдите на поверхности исследуемого образца неоднородности и с помощью ручки манипулятора переместите их в центр поля зрения.

9. Последовательно меняйте объективы до увеличения х20. Следите, чтобы изображение поверхности с неоднородностями оставалось в фокусе.

10. Вращая анализатор, пронаблюдайте изменение контраста изображения.

11. После получения наилучшего контраста необходимо зарисовать/заснять наблюдаемые изображения (2-3 различных участка исследуемого образца).

3. Краткие сведения из теории

Оптические микроскопы получили широкое применение для исследования различных объектов: как биологических, так и неорганических материалов. В частности, они используются в металловедении и металлографии для определения структуры металлов.

Металлография - это метод исследования и контроля металлических материалов, заключающийся в подготовке микрошлифов и изучении их структуры, обычно с помощью микроскопии. В металлургической промышленности исследуются шлифы, полученные соответствующим образом из отобранных слитков, а в машиностроении структура металла исследуется непосредственно на деталях.

Качество металла (сплава) в металлургической промышленности оценивается двумя способами:

1) по величине зерна структурных составляющих, при этом определяются склонность его к росту, кинетика роста, величина зерна после горячей деформации или термической обработки;

2) по количеству загрязнений путём определения размеров включений и их количества на квадратный миллиметр, причём загрязнения в металле могут быть различного происхождения, в том числе и неметаллические.

Оценка качества металлов производится по так называемым балльным шкалам путём сравнения изображения шлифа металла с серией микрофотографий стандартных образцов, либо прямым подсчётом и измерением параметров исследуемой структуры. Размер структурных зёрен и включений может колебаться в значительных пределах. Определённой величине зерна присваивается номер в соответствии с ГОСТ.

Значительные колебания размеров зёрен и включений требуют применения различных увеличений металлографического микроскопа. Альбомы балльных шкал составлены для определённого ряда увеличений, обычно при диаметре поля изображения 80 мм, поэтому увеличение металлографических микроскопов должно соответствовать стандартным увеличениям, при которых выполнены балльные шкалы, то есть от 100 крат (100 х) до 1000 крат (1000 х). Для определения величины крупных зёрен может использоваться увеличение менее 100 х.

В основе металлографического анализа лежит идея о том, что различные структуры в сплаве имеют разную скорость травления, а также по-разному окрашиваются в результате окисления.

Металлографический микроскоп

Металлографический микроскоп предназначен для исследования микрошлифов металлов и сплавов. Наблюдение ведется в отражённом свете, увеличение, как правило, составляет от 60 до 1500 раз.

Специфические особенности металлографических шлифов предъявляют определённые требования к конструкции металлографических микроскопов. Так как шлиф непрозрачен и обладает мелкой структурой, то для ее обнаружения необходимы микрообъективы с большим увеличением, то есть с малым фокусным расстоянием и, следовательно, с небольшим рабочим расстоянием. Небольшое рабочее расстояние микрообъектива не позволяет осветить объект с необходимой апертурой освещающего пучка, идущего с внешней стороны объектива. Для освещения объекта через микрообъектив необходимо специальное устройство опак-иллюминатор, в котором в ход лучей микроскопа вводится светоделительная пластинка, отражающая свет от источника света в объектив и пропускающая свет, отражённый от объекта. При этом теряется значительная часть света и в окуляр может пройти не больше 25% падающего от источника света потока при его 100% отражении от объекта. Обычно металлические шлифы отражают значительно меньше света, и в окуляр попадает лишь незначительная часть светового потока, падающего на шлиф. Большие потери света в осветительной системе микроскопа и небольшой коэффициент отражения рассматриваемого объекта требуют введения в осветительную систему мощного источника света, особенно если необходимо обеспечить микрофотографирование.

Рассмотрим оптическую систему металлографического микроскопа на примере МИМ 7 (подобная оптической системе микроскопа Альтами), представленной на рисунке 2,

Рисунок 2 - Оптическая схема микроскопа МИМ-7: а - при работе в светлом поле; б - при работе в темном поле.

Лучи света от электрической лампы 1 проходят через коллектор 2 и, отразившись от зеркала 3, попадают на светофильтр 4, затем на апертурную диафрагму 5 (для ограничения световых пучков и получения высокой чёткости изображения), линзу 6, фотозатвор 8, полевую диафрагму 9 (для ограничения освещённого поля рассматриваемого участка на микрошлифе). Световые лучи преломляются пентапризмой 10, проходят через линзу 11, попадают на микрошлиф 12, установленный на предметном столике. Отразившись от микрошлифа 12, лучи вновь проходят через объектив 13 и, выходя из него параллельным пучком, попадают на отражённую пластинку 14 и ахроматическую линзу 16.

При визуальном наблюдении в ход лучей вводится зеркало 17, которое отклоняет лучи в сторону окуляра. При фотографировании зеркало 17 выключается выдвижением тубуса вместе с окуляром и зеркалом, и лучи направляются непосредственно к фотоокуляру 19, проходят через него на зеркало 20, от которого отражаются и попадают на матовое стекло 21, где и дают изображение. Для фиксирования микроструктуры матовое стекло 21 заменяется кассетой с фотопластинкой или камерой. Для наблюдения в поляризованном свете в систему включаются вкладной анализатор 15 и поляризатор 7. Для повышения отдельных мелких рельефных частиц на гладком поле (например, при исследовании неметаллических включений) целесообразно применять темнопольное освещение.

Оптическая система микроскопа для исследования микрошлифа в тёмном поле отличается от описанной схемы исследования в светлом поле тем, что вместо линзы 11 устанавливается линза 22. Центральная часть одной из поверхностей линзы 22 покрыта чёрным непрозрачным лаком в виде диска, задерживающего центральную часть светлого пучка и пропускающего краевые лучи, проходящие через прозрачное кольцо линзы 22 и падающие на зеркало 24 в виде светлого кольца. Для того, чтобы светлые лучи не попадали на отражательную пластинку 14, введена диафрагма 23. Отразившись от зеркала 24, лучи попадают на внутреннюю поверхность параболического зеркала 25 и, отразившись от него, концентрируются на микрошлифе.

4. Вопросы для подготовки к работе и самопроверки

1. Устройство оптического микроскопа.

2. Аберрации линз и методы их устранения.

3. Параметры оптического микроскопа. Физические ограничения для латерального и аксиального разрешений.

4. Методики измерения с помощью оптического микроскопа: физические явления, лежащие в основе методов, преимущества, недостатки, специфика применения.

5. Области применения оптической микроскопии.

6. Специфика металлографических микроскопов. Область их применения.

Рисунок 3 - Схематическое изображение металлографического микроскопа Альтами

Рисунок 4 - Схематическое изображение металлографического микроскопа Альтами2.3 Конструирование заданий и методических указаний к практическим работам по анализу диаграммы состояния железоуглеродистых сталей.

Методические рекомендации по выполнению практических работ студентов по профессиональному модулю «» включает в себя задания для аудиторной практической работы.

Каждая практическая работа выполняется студентом самостоятельно во время аудиторного занятия в присутствии преподавателя. Реализованные задания практической работы каждый студент представил преподавателю для проверки правильности выполнения, и сделал отчет.

Практическая работа №1

Изучить принцип построения диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов.

Цель работы: Познакомиться с основами построения диаграммы фазового равновесия двухкомпонентной системы Fe-C термическим методом.

1. Материально-техническое обеспечение работы

Плакат с диаграммой Fe-C, Иллюстрации с кривыми охлаждения сплава.

2. Последовательность выполнения работы

1. Изучить в теоретических сведениях:

а) назначение и сущность термического метода (зарисовать схему термоэлектрического пирометра с описанием его элементов);

б) методику определения температур кристаллизации сплава Fe -- C;

в) методику построения диаграммы состояния сплава Fe --C (с изображением в последовательном порядке построения диаграммы и c характеристикой линий и указанием состояния и структуры в различных областях диаграммы).

3. Теоретические сведения

Назначение и сущность термического метода

Термический метод основан на выделении или поглощении теплоты при внутренних превращениях, происходящих в металлах и сплавах. При помощи термического метода можно определить температуры фазовых превращений (критические точки), например, температуры кристаллизации, аллотропические превращения и др. При испытании в процессе нагрева и охлаждения металла регистрируют температуру и время, строят кривые нагрева и охлаждения и диаграммы состояния сплавов.

При термическом методе применяют термоэлектрические пирометры.

Пирометр (рис. 5) состоит из двух частей: термопары I и гальванометра (милливольтметра) II. Проволоки (из двух разных металлов) 1 и З термопары, спаянные в точке 2 (так называемый горячий спай), соединены проводами 4 и 5 с гальванометром. Место соединения проволок 1 и З с проводами 4 и 5 называется холодным спаем, который должен находиться при постоянной температуре t₀ (0 или 200 С).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Схема термоэлектрического пирометра

Горячий спай термопары помещают в среду, температура которой должна быть определена.

При нагреве горячего спая возникает термоэлектродвижущая сила (ТЭДС), под действием которой по электрической цепи пойдет ток, величина которого зависит от сопротивления цепи. При этом происходит отклонение стрелки 6 гальванометра П, шкала 7 которого отградуирована в милливольтах или градусах. Чем выше температура горячего спая, тем больше угол отклонения стрелки гальванометра.

В зависимости от температуры нагрева применяют различные термопары (табл. 8).

Таблица 8. Характеристика термопар

Условное обозначение градуировки	Наименование термопар	Пределы измерения,
ТВР ПП-1 ХА ХК	Вольфрам-рений Платино-платинородиевые Хромель-алюмелевые Хромель-копелевые	0--2200 0--1300 0--1000 0--600



Методика определения температур кристаллизации сплава.

Температуру кристаллизации определяют на установке (рис. 6)

Для определения температур кристаллизации необходимо: подготовленное количество сплава определенного состава помещается в тигель 1 (рис. 6), установленный в тигельную электропечь З. На поверхность расплавленного сплава насыпают слой толченого древесного угля для предохранения сплава от окисления. Затем закрывают тигель крышкой или листовым асбестом 4. Через отверстие крышки или через листовой асбест в расплавленный сплав помещают горячий спай 2 термопары 5, защищенной фарфоровым кожухом 6. Свободные концы проволок термопары должны быть соединены (место соединения 7 -- холодный спай) медными проводами 8 с гальванометром 9. Через каждые 30 с записывают показания стрелки гальванометра до полного затвердевания сплава. Если гальванометр имеет шкалу с делениями в милливольтах, то показания стрелки гальванометра (ТЭДС) записывают в графу, как указанно в таблице 9 «Показания гальванометра». Значение ТЭДС переводят в ^оС по градуировочной таблице, и записывают в графу 3. Так для стали используют термопару вольфрам-рений (W-Re). Для других сплавов применяют, например,хромель-алюмелевые термопары (смотреть таблицу 8). Если гальванометр имеет шкалу с делениями в градусах (⁰С), то показания стрелки гальванометра (температуру) записывают в графу З таблицы 9.



рис. 6. Схема установки для определения критических точек металлов и сплавов

Выписав все значения температур при затвердевании сплава (как показано на примере в таблице 9) следует проанализировать начало температурной остановки (т.е. температура при которой жидкий сплав начинает кристаллизоваться), если построить кривую охлаждения в координатах температура -- время, то горизонтальный участок будет указывать на эту остановку.

Таблица 9. Пример охлаждения Fe-C сплава в тигиле

Время	Термо. ЭДС	температура
30 с 60 с 90 с 2 мин 2,5 мин 3 мин 3,5 мин 4 мин 4,5 мин 5 мин 5,5 мин 6 мин 6,5 мин 7 мин 7,5 мин 8 мин	24,6 24,4 24,0 23,9 23,8 23,5 23,2 22,9 22,7 22,7 22,7 22,6 22,6 22,3 22,1 22,0	1650 1625 1600 1577 1575 1550 1525 1500 1477 1477 1477 1475 1475 1460 1455 1450

Методика построения диаграммы состояния сплавaFe -- C

Диаграммы состояния строятся с применением различных методов, из которых один из наиболее простых состоит в измерении температуры сплавов в процессе их охлаждения, начиная от жидкого состояния. Результаты таких измерений представляют на графиках температура - время в виде кривых, которые называются кривыми охлаждения. На рис.7 (в левой части) кривая 1 описывает охлаждение расплавленного чистого компонента А.

Рис. 7. Кривые охлаждения и диаграмма состояния системы с ограниченной растворимостью компонентов в жидком состоянии и не растворимых в твердом. (Диаграмма двойной системы с простой эвтектикой).

При его кристаллизации выделяется теплота плавления и в результате температура остается постоянной до окончания затвердевания жидкости. На кривой охлаждения это проявляется в виде площадки. Длительность температурной остановки связана с условиями теплоотвода. После кристаллизации температура начнет вновь падать.

На практике встречается явление переохлаждения, с последующим повышением температуры до Т_{кристалл..}Кривые охлаждения для двухкомпонентных систем характеризуются наличием не только площадки, но и точки перегиба, изгибом, начало которого соответствует температуре начала кристаллизации одного из компонентов (кривая 2). Однако в отличие от чистого компонента здесь не наблюдается остановки температуры. Это связано с тем, что по мере выделения А расплав обогащается компонентом В и его температура плавления понижается. После излома кривая 2 идет более полого (из-за освобождения тепла кристаллизации), а охлаждение, сопровождающееся дальнейшим выделением А, приводит к непрерывному увеличению концентрации В в остающемся расплаве. Наконец, при некоторой температуре расплав становится насыщенным и относительно В. С этого момента наряду с кристаллизацией А начинается выделение В, то есть расплав затвердевает без изменения своего состава. Поэтому в результате выделения теплоты плавления на кривой охлаждения возникает остановка. Ниже этой температуры кривая 2 передает плавное охлаждение смеси двух твердых фаз. Кривые охлаждения, подобные кривой 2, характерны для всех расплавов, составы которых лежат левее точки Е. Расплав, в точности отвечающий составу этой точки, то есть эвтектический, кристаллизуется подобно чистому компоненту - кривая 3. Кривые охлаждения расплавов, составы которых лежат правее точки Е, соответствуют кристаллизации компонента В и имеют такой же вид, как описанные выше для левой части диаграммы состояния. По кривым охлаждения расплавов с различным содержанием компонентов строится полная диаграмма состояния.

Относительно простой является диаграмма равновесия двухкомпонентной системы, в которой компоненты А и В неограниченно взаимно растворимы в жидком состоянии, а в твердом не образуют ни растворов, ни химических соединений (рис. 3.) Жидкий расплав (поле I) характеризуется тем, что можно произвольно изменять его температуру и состав, не вызывая появление новых фаз (число степеней свободы С = 2 - 1 + 1 = 2). Линии Т₁Е иТ₂Е и горизонталь Т_е Е Т_е ограничивают области (поля II и III), соответствующие моновариантным двухфазным равновесиям (число степеней свободы С = 2 - 2 + 1 = 1). В них заданной температуре соответствует определенный состав жидкости, равновесной с кристаллами компонентов (А или В), и, наоборот, данному составу жидкости соответствует своя температура кристаллизации. Так при температуре Т₃ состав жидкости, находящееся в равновесии с твердым компонентом А, определяется пересечением горизонтальной прямой, идущей на уровне Т₃, с линией Т₁Е, т.е. соответствует точке А.

В поле II существует две фазы - расплав переменного состава, зависящего от Т, и твердый компонент А. Поле III также ограничивает область существования двух фаз - твердого компонента В и расплава переменного состава. Поле IV соответствует механической смеси твёрдых компонентов А и В.

4. Контрольные вопросы

1. Что называется фазой, составной частью, компонентом, степенью сво-боды?

2. Какие системы называют гомогенными и гетерогенными?

3. Каковы условия равновесия гетерогенных систем?

4. Как записывают правило фаз Гиббса для различных случаев?

5. Объяснить процессы, протекающие на отдельных участках кривых охлаждения?

6. Что влияет на продолжительность температурной остановки на кривой охлаждения?

7. Как построить диаграмму состояния?



Практическая работа №2

Провести анализ состояния сплава по диаграмме состояния железо-углерод

Цель работы: формирование навыков анализированияосновных типов диаграмм состояния двойных систем.

Задачи: овладеть умениями построения основных типов диаграмм состояния двойных систем, овладеть умениями определять химический состав фаз и количество фазовых составляющих сплавов.

1.Теоретическая часть

Сплавы состоят из двух и более химических элементов. Элементы, образующие сплав, называют компонентами. Свойства сплава зависят от многих факторов, но прежде всего они определяются составом фаз и их количественным соотношением. Эти сведения можно получить из анализа диаграмм состояния. Диаграммы состояния строят для условий равновесия. Равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии. Диаграммы состояния, или диаграммы фазового равновесия в удобной графической форме показывают фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации.

Рассмотрим процесс кристаллизации сплава, содержащего 50% компонента В (в соответствии с рисунком 8). Кристаллизация сплава начинается при температуре t₁, когда из жидкого сплава выделяются первые кристаллы твердого раствора б. Ниже температуры t₁ сплав является двухфазным (жидкость и б-кристаллы). Двухфазное состояние, характерное для процесса кристаллизации, существует в интервале температур (рисунок 8).



Рисунок 8 - Диаграмма состояния для случая неограниченной взаимной растворимости компонентов

Для определения состава фаз, находящихся в равновесии при любой температуре, лежащей между линией ликвидус и солидус, напримерt₂или t₃, нужно через данный температурный уровень t₂ или t₃провести линию, параллельную оси концентраций до пересечения с линиями ликвидус и солидус. Тогда проекция точки пересечения этой линии с линией ликвидус (т и т₁,) на ось концентраций укажет состав жидкой фазы, а точки пересечения с линией солидус (n и n₁) - состав твердой фазы (б-раствора).

Если точка, которая показывает состав сплава при данной температуре, попадает в область однофазного состояния, то количество данной фазы (по массе) составляет 100%, а ее состав соответствует исходному составу сплава.

В процессе кристаллизации меняется не только состав фаз, но и количественное соотношение между ними. Для определения количественного соотношения фаз, находящихся в равновесии при данной температуре, пользуются правилом отрезков (рычага). Согласно этому правилу, например, для определения массового или объемного количества твердой фазы необходимо вычислить отношение длины отрезка, примыкающего к составу жидкой фазы, к длине всей коноды; для определения количества жидкой фазы - отношение длины отрезка, примыкающего к составу твердой фазы, кдлине коноды. Правило отрезков применимо не только к кристаллизующимся сплавам, но и вообще ко всем двухфазным системам независимо от их агрегатного состояния.

2. Порядок выполнения работы

1. Начертите диаграмму состояния системы (вариант задания указывает преподаватель).

2. Во всех областях на диаграмме расставьте фазы и опишите их физическую природу.

3. Укажите значение всех линий диаграммы.

4. Опишите все фазовые превращения, происходящие в заданном сплаве х, y или z при медленном охлаждении в интервале температур от T₁ до T₅ (на рисунке температуры отмечены цифрами соответственно 1, 5).

5. Определите химический состав фаз (концентрацию компонентов в фазах) при температурах Т₂, Т₃, Т₄.

6. Подсчитайте массовое количество каждой фазы в процентах при температурах Т₁ и Т₅.

7. Укажите структурные составляющие в сплаве после медленного охлаждения.

8. Сделайте выводы и напишите отчет по работе в соответствии с пунктами заданий.

3. Задания для практической работы

Вариант №1

Вариант №2

Вариант №3

Вариант №4



Вариант №5

4. Оформление отчета

Отчет о работе должен содержать:

1. Название темы и цель работы.

2. Диаграмму состояния системы.

3. Ответы в соответствии с пунктами заданий.

4. Выводы.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные типы диаграмм состояния сплавов.

2. Какие процессы отражает диаграмма состояния сплава?

3. Каким образом по диаграмме состояния сплавов можно определить количество жидкой и твердой фаз?

4. Что такое эвтектика и как она образуется?

Дайте определение правила рычага.



Заключение

При выполнении данной выпускной квалификационной работы, мы стремились достичь главные цели - разработать методическое обеспечение для студентов специальности 22.02.04 «Металловедение и термическая обработка металлов» профессионального модуля ПМ 03. «Проведение металлографических исследований и механических испытаний»

На первом этапе была рассмотрена сущность и назначение лабораторных и практических работ в дидактике.

На втором этапе были изучены требования к проектированию методического обеспечения практических и лабораторных работ обучающихся.Изучены структуры ФГОС СПО и компетенций выпускника по специальности 22.02.04 «Металловедение и термическая обработка металлов.»Проанализирована рабочая программа Профессионального модуля ПМ03 «Проведение металлографических исследований и механических испытаний.» на основе данных анализов были определены виды лабораторных и практических работ и разработаны методические указания для их выполнения.



Список литературы

1. «Назначение, организация и подготовка лабораторных работ. Методическое обеспечение лабораторных работ.»[Электронный ресурс] http://www.studfiles.ru/preview/6220744/page:6

2. «Лабораторно-практический контроль и технология его оценивания.» [Электронный ресурс] http://www.studfiles.ru/preview/3343677/page:2

Размещено на Allbest.ru