методичка (Методические указания к лабораторным работам по курсу - Компьютерное материаловедение)

Московский государственный технический университетимени Н.Э. БауманаС.Ю. ШевченкоМетодические указанияк лабораторным работам по курсу«Компьютерное материаловедение»Часть 1Издательство МГТУ им. Н.Э. БауманаМосковский государственный технический университетимени Н.Э. БауманаС.Ю. ШевченкоМетодические указанияк лабораторным работам по курсу«Компьютерное материаловедение»Часть 1Издательство МГТУ им.

Н.Э. БауманаМосковский государственный технический университетимени Н.Э. БауманаС.Ю. ШевченкоМетодические указанияк лабораторным работам по курсу«Компьютерное материаловедение»Часть 1МоскваИздательство МГТУ им. Н.Э. Баумана20071УДК 669.017(076)ББК 34.2Ш379Рецензент В.И. ТретьяковШ379Шевченко С.Ю.Методические указания к лабораторным работам по курсу«Компьютерное материаловедение». – Ч.

1 – М: Изд-во МГТУим. Н.Э. Баумана, 2007. – 35 с.: ил.Описаны лабораторные работы, в процессе которых слабослышащие студенты обучаются применению компьютерных средств и программ анализа и моделирования структурного состояния материалов.Для студентов 3-го курса ГУИМЦ, изучающих курс «Компьютерноематериаловедение».УДК 669.017(076)ББК 34.22Работа № 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХСВОЙСТВ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙЦель работы – освоить методику определения основных механических свойств углеродистых сталей; изучить зависимостьэтих свойств от содержания углерода.Теоретическая частьОсновными механическими свойствами являются прочность,упругость, вязкость, твердость. Механические свойства определяют поведение материала под действием внешних нагрузок.Для получения сопоставимых результатов образцы и методику проведения механических испытаний регламентируют стандартами.

При статическом испытании на растяжение (ГОСТ1497–84) получают характеристики прочности и пластичности.Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению. Пластичность – способность материалак пластической деформации, т. е.

способность получать остаточное изменение формы и размеров без разрушения.Испытания на растяжение проводятся на специальных машинах, которые записывают диаграмму растяжения (рис. 1.1) –зависимость удлинения образца Δl от действующей нагрузки Р.Для расчета механических свойств диаграмму растяжения перестраивают в зависимость относительного удлинения от напряжения. Напряжение – это удельная нагрузка, т. е. отношениенагрузки, действующей на образец, к площади его поперечногосечения.Проанализируем процессы, которые происходят в материалеобразца при увеличении нагрузки. Участок диаграммы до точкиа соответствует упругой деформации материала – после снятиянагрузки форма и размеры образца возвращаются к своим исходным значениям.

Напряжение, соответствующее предельнойупругой деформации в точке а, называется пределом пропорциональности.3Рис. 1.1. Диаграмма растяжения образцаПредел пропорциональности σпц – максимальное напряжение, при котором сохраняется линейная зависимость между деформацией и напряжением:σ пц =PпцF0.При напряжениях выше предела пропорциональности происходит равномерная пластическая деформация (удлинение илисужение сечения).

Характеристики пластичности следующие:lk − l 0⋅ 100 % , где lk и l0 – наотносительное удлинение δ =l0чальная и конечная длина образца;относительное сужение ψ =F0 − Fk⋅ 100 % , где F0 – наF0чальная площадь поперечного сечения; Fk – площадь поперечного сечения после испытания в месте разрыва.Относительное сужение более точно характеризует пластичность и служит технологической характеристикой при листовойштамповке.Пластичные материалы более надежны в работе, так как дляних меньше вероятность опасного хрупкого разрушения.Так как практически невозможно установить точку переходав неупругое состояние, то устанавливают условный предел упругости – максимальное напряжение, при котором образец получает только упругую деформацию. Рассчитывают напряжение, при4котором остаточная деформация очень мала (δ = 0,005…0,05 %).В обозначении указывается значение остаточной деформации,например 0,05:σ 0,05 =P0,05F0.Предел текучести характеризует сопротивление материаланебольшим пластическим деформациям.В зависимости от природы материала используют физический или условный пределы текучести.Физический предел текучести – это напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке (ей соответствует наличие горизонтальной площадки cdна диаграмме растяжения):σт =Pт.F0Он характерен для очень пластичных материалов.Основная часть металлов и сплавов не имеет площадки текучести.

Для них определяют условный предел текучести – этонапряжение, вызывающее остаточную деформацию δ = 0,2 %:σ 0, 2 =P0, 2F0.Физический или условный предел текучести является важной расчетной характеристикой материала. Действующие в детали напряжения не должны превышать его.В точке «в» в наиболее слабом месте начинает образовываться шейка – сильное местное утонение образца. Временноесопротивление (называемое также пределом прочности) – это напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которуювыдерживает образец до разрушения:σв =Pmax.F0Образование шейки характерно для пластичных материалов,которые имеют диаграмму растяжения с максимумом.

За точкой«в», вследствие развития шейки, нагрузка падает, и в точке k5происходит разрушение. Истинное сопротивление разрушению –это максимальное напряжение, которое выдерживает материал вмомент, предшествующий разрушению образца:Sk =Pk.FkИстинное сопротивление разрушению значительно большепредела прочности, так как оно определяется относительно конечной площади поперечного сечения образца.Методика выполнения работы1.

Получить вариант задания – диаграмму растяжения образца из углеродистой стали в численном виде.2. Определить площадь поперечного сечения образца F0,мм2 (рис. 1.2), до испытания:F0 = a0 b0,где a0 – начальная толщина образца, мм; b0 – начальная ширина образца, мм.Рис. 1.2. Образец для испытания на растяжениеОпределить площадь поперечного сечения образца послеиспытания Fk, мм:Fk = ak bk,где ak – толщина образца после испытания, мм; bk – ширинаобразца после испытания, мм.3. Построить в Excel диаграмму растяжения в координатах«перемещение, мм – усилие, Н».4.

Определить предел пропорциональности графическимспособом. На построенном графике из начала координат(рис. 1.3) провести прямую, совпадающую с начальным линейным участком диаграммы растяжения. Затем на произвольном6уровне провести прямую АВ, параллельную оси абсцисс, и наэтой прямой отложить отрезок kn, равный половине отрезка mk.Через точку n и начало координат провести прямую On и параллельно ей провести касательную CD к диаграмме растяжения. Точка касания определяет усилие Рпц.

Предел пропорциональности σпц, Н/мм2, вычислить по формулеσ пц =PпцF0.Рис. 1.3. Определение предела пропорциональностиграфическим способом5. Определить условный предел текучести. По диаграммерастяжения вычислить удлинение, соответствующее пластической деформации 0,2 %:Δl = l0 ⋅ 0,002,где l0 – начальная длина образца, мм.Отрезок ОЕ длиной Δl отложить по оси удлинения от точкиО (рис. 1.4). Из точки Е провести прямую, параллельную ОМ.Точка пересечения прямой с диаграммой соответствует усилиюусловного предела текучести Р0,2.Условный предел текучести вычислить по формулеσ 0,2 =P0,2F0.7Рис.

1.4. Определение условного предела текучести6. Определить временное сопротивление разрушению. Определить по графику наибольшее усилие Рmах, предшествующееразрушению образца. Временное сопротивление σв, Н / мм2,вычислить по формулеσв =Pmax.F07. Вычислить относительное удлинение после разрыва δ поформулеδ=l k − l0⋅ 100 %,l0где lk –длина образца после испытания, мм.8. Вычислить относительное сужение поперечного сеченияпосле разрыва ψ по формулеψ=F0 − Fk⋅ 100 %.F09.

Построить диаграмму растяжения в координатах «деформация, % – напряжение, Н/мм2». Перенести диаграмму в отчет.10. Обобщив результаты всей подгруппы, построить зависимости от содержания углерода следующих механическихсвойств:– условный предел текучести;– временное сопротивление;– относительное удлинение после разрыва.811. Сделать вывод о причине такого изменения механических свойств.Контрольные вопросы1. Что такое прочность?2. Какие вы знаете характеристики пластичности?3.

В каких координатах строится диаграмма растяжения?4. Как определить временное сопротивление разрыву?5. Как определить предел пропорциональности графическим способом?6. Как определить условный предел текучести?7. Почему истинное сопротивление разрушению большепредела прочности?8.

Как рассчитать относительное удлинение образца послеразрыва?9. Как рассчитать относительное сужение образца послеразрыва?10. Чем отличается условный предел текучести от физического?Работа № 2. РАВНОВЕСНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯВ СИСТЕМЕ «ЖЕЛЕЗО – ЦЕМЕНТИТ»Цель работы – изучить структурные превращения при охлаждении железоуглеродистых сплавов.Теоретическая частьСтруктура железоуглеродистых сплавов. Железоуглеродистыесплавы (стали и чугуны) – наиболее распространенные конструкционные материалы. Производство чугуна и стали по объемупревосходит производство всех других металлов более чем в десять раз.Диаграмма состояния «железо – цементит» (рис. 2.1) даетосновное представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.9Рис. 2.1.

Диаграмма состояния «железо – цементит»Железо – переходный металл серебристого цвета с температурой плавления 1539 °С. В твердом состоянии железо можетнаходиться в двух модификациях. При температуре ниже 911 °Ссуществует модификация Feα c объемно-центрированной кубической (ОЦК) решеткой. В интервале температур 911…1392 °Cустойчивым является модификация Feγ с гранецентрированнойкубической (ГЦК) решеткой.