МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ТЮМЕНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт промышленных технологий и инжиниринга
Кафедра материаловедения и технологии конструкционных материалов
ОЦЕНКА СООТВЕТСТВИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА,
СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЗАДАННОЙ МАРКИ СТАЛИ
СЕРТИФИКАТУ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛОПРОДУКЦИИ
(ВАРИАНТ 6)
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Методы контроля качества материалов»
Выполнил:
обучающийся гр. МТМ(ТЭК)бп-17-1
____________Вагина А.А.
Проверил:
доцент, к.т.н.
____________ Балина О.В.
Тюмень 2019
Содержание
Стр.
Введение
3
1 Теоретическая часть
5
1.1 Сортамент металлопродукции из заданной марки стали
5
1.2 Нормируемые свойства сортамента металлопродукции
5
1.3 Назначение сортамента металлопродукции
6
2 Оборудование и методика исследования
7
2.1 Механические испытания
7
2.2 Коэрцитивная сила
10
2.3 Микроструктурный анализ
11
3 Экспериментальная часть
13
3.1 Результаты механических испытаний
13
3.1.1 Показатели твердости
3.1.2
Показатели
прочности
13
и
пластичности
при
13
испытаниях на растяжение
3.1.3 Результаты испытаний на ударный изгиб
15
3.2 Результаты измерения коэрцитивной силы
15
3.3. Результаты микроструктурного анализа
16
Заключение
18
Список использованных источников
19
Курсовая работа (вариант6)
Изм. Лист
Разраб.
Провер.
Н. Контр.
Утверд.
№ докум.
Подпись Дата
Лит.
Вагина А.А.
Балина О.В.
Содержание
Лист
Листов
ТИУ, ИПТИ, МТМ(ТЭК)бп-17-1
3
Введение
Актуальность темы исследования заключается в том, что бы выяснить
при каких условиях стоит применять данную марку стали А40Г. Правильный
выбор сталей позволяет получать надежные в эксплуатации и экономичные
детали машин. Из всех известных в технике материалов лучшее сочетание
прочности, надёжности и долговечности имеет сталь, поэтому она является
основным
материалом
для
изготовления
ответственных
изделий,
подвергающихся большим нагрузкам. Свойства стали зависят от её
структуры и состава. Выбор стали для изготовления той или другой детали и
метод её упрочнения определяется в первую очередь условиями работы
детали, величиной и характером напряжений, возникающих в ней в процессе
эксплуатации, размерами и формой детали и т.д.
Объект исследования:
Сталь А40Г является конструкционной повышенной обрабатываемости
резанием, с добавлением марганца. Марганец применяют для удаления из
стали кислорода и серы. Он имеет меньшую тенденцию к сегрегации
(неоднородность химического состава сплава, возникающая при его
кристаллизации), чем любой другой легирующий элемент. Так же марганец
снижает риск красноломкости.
Цель курсовой работы:
Приобретение знаний, умений и навыков оценки соответствия материалов
заданным критериям качества.
Задачи курсовой работы:
1.Изучить состояние вопроса, провести литературный обзор в рамках
тематики курсовой работы
2. Изучить подробно методику проведения исследований и оборудования
Курсовая работа (вариант6)
Изм. Лист
Разраб.
Провер.
Н. Контр.
Утверд.
№ докум.
Подпись Дата
Лит.
Вагина А.А.
Балина О.В.
Введение
Лист
Листов
ТИУ, ИПТИ, МТМ(ТЭК)бп-17-1
4
3. Провести исследования, проанализировать полученные результаты:
микроструктурный анализ, показатели коэрцитивной силы, механические
испытания
4. Подготовить заключение о соответствии материала сертификату качества
на металлопродукцию
Лист
Курсовая работа (вариант №6)
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
5
1.Теоретическая часть
1.1.Сортамент металлопродукции из заданной марки стали
По форме, размерам и предельным отклонениям металлопродукция
должна соответствовать требованиям для (ссылка 1):
горячекатаной:
- круглой в прутках и мотках - ГОСТ 2590;
- квадратной в прутках и мотках - ГОСТ 2591 или по другому стандарту
или с другими требованиями, согласовываемыми при оформлении заказа;
- шестигранной в прутках и мотках - ГОСТ 2879;
- полосовой - ГОСТ 103, ГОСТ 4405;
- профилей для косых шайб - ГОСТ 5157;
кованой:
- круглой и квадратной в прутках - ГОСТ 1133;
- полосовой - ГОСТ 4405;
калиброванной:
- круглой в прутках и мотках - ГОСТ 7417;
- квадратной в прутках и мотках - ГОСТ 8559;
- шестигранной в прутках и мотках - ГОСТ 8560;
- полосовой - нормативной документации, согласованной при оформлении
заказа;
- со специальной отделкой поверхности в прутках и мотках - ГОСТ 14955.
1.2.Нормируемые свойства сортамента металлопродукции
Сталь А40Г – химический состав:
Кремний
Марганец
Медь
Сера
Углерод
Фосфор
0,15–0,35
1,2–1,55
0,25
0,18–0,3
0,37–0,45
0,05
Курсовая работа (вариант 6)
Изм. Лист
Разраб.
Провер.
Н. Контр.
Утверд.
№ докум.
Вагина.А.А.
Балина О.В.
Подпись Дата
Лит.
Лист
Листов
Теоретическая часть
ТИУ, ИПТИ, МТМ(ТЭК)бп-17-1
6
Материал А40Г – механические свойства:
Состояние поставки
σв(МПа)
δ5
ψ
НВ, не
(%)
%
более
не менее
Пруток горячекатаный без термообработки
590
14
20
207
Пруток калиброванный
590
17
---
229
высокоотпущенный или отоженный
1.3. Назначение сортамента металлопродукции
Сталь конструкционная повышенной обрабатываемости резанием А40Г
применяется для деталей сложной формы, обрабатываемые на станкахавтоматах, и детали, к которым предъявляются повышенные требования к
чистоте, поверхности, работающие при повышенных напряжениях и
давлениях: оси, валики, втулки, кольца, шестерни, пальцы, винты, болты,
гайки, ходовые винты (ссылка 2).
Лист
Курсовая работа (вариант №6)
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
7
2.Оборудование и методика исследования
2.1.Механические испытания
2.1.1.Определение твердости
Твердость – свойство поверхностного слоя материала сопротивляться
упругой и пластической деформации или разрушению при местных
контактных воздействиях со стороны другого, более твердого и не
получающего остаточной деформации тела (индентора) определенной
формы
и
размеров
.
По методу Роквелла твердость металлов определяют вдавливанием в
испытуемый образец из алмазного конуса с углом при вершине 120о под
действием
двух
последовательно
прилагаемых
нагрузок.
Числа твердости по Роквеллу обозначают НR и вычисляют
по
формуле
где hо - глубина внедрения наконечника (мм) под действием предварительной
нагрузки Р0 ; h - глубина внедрения наконечника (мм) под действием общей
нагрузки Р после ее снятия и оставления предварительной нагрузки Р0 ; к постоянная величина, равная для алмазного конуса 0,2 ; с - цена деления
циферблата
индикаторного
наконечника
прибора,
на
соответствующая
углублению
0,002
мм.
Таким образом, твердость по Роквеллу не имеет размерности и выражается в
условных единицах. На практике числа твердости по Роквеллу не вычисляют,
а отсчитывают по шкале индикаторного прибора непосредственно в процессе
испытания. При испытании твердость можно измерять по шкалам А, В и С
Курсовая работа (вариант №6)
Изм. Лист
Разраб.
Провер.
Н. Контр.
Утверд.
№ докум.
Вагина.А.А.
Балина О.В.
Подпись Дата
Лит.
Оборудование и методика
исследования
Лист
Листов
1
1
ТИУ, ИПТИ, МТМ(ТЭК)бп-17-1
8
В зависимости от твердости испытуемого образца выбирают нагрузку,
индентор
и
шкалу
по
таблице.
Значения твердости по Роквеллу могут быть переведены в значения
твердости
по
Бринеллю.
Условия проведения измерений. При измерении твердости на приборе
Роквелла необходимо, чтобы на поверхности образца не было окалины,
трещин, выбоин и др. Необходимо контролировать перпендикулярность
приложения нагрузки и поверхности образца и устойчивость его положения
на столике прибора. Расстояния между центрами отпечатков и от центра до
края образца при определении твердости по шкалам А и С должны быть не
менее
2,5 мм,
а
по
шкале
В
–
не
менее
4 мм.
Преимущества метода: быстрота - значение твердости фиксируется
непосредственно стрелкой индикатора, при этом отпадает необходимость в
оптическом
измерении
размеров
отпечатка,
возможность
измерения
поверхностей с высокой твердостью, а также малых и тонких образцов,
незначительное
повреждение
поверхности.
Недостатки метода: необходимость тщательной подготовки поверхности
испытываемого
образца
(ссылка
3).
2.1.2 Испытания на растяжение
Определение показателей прочности и пластичности, проводится на
разрывной машине УММ-5.Предельная нагрузка, которой составляет 5 тс,
точность измерений от измеряемой нагрузки,
±1%, тип машины:
вертикальный.
К показателям прочности относятся:
1. Предел текучести физический – наименьшее напряжение, при
котором образец деформируется без увеличения растягивающей нагрузки.
Определяется по формуле бТ=РТ/F0
2.Условный предел текучести – напряжение, при котором остаточное
удлинение достигает 0,2% длины участка образца на его рабочей части,
Лист
Курсовая работа (вариант №6)
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
9
удлинение которого принимается в расчет при определении указанной
характеристики.
Определяется по формуле б0,2=Р0,2/F0
3.Предел прочности (временное сопротивление) - условное напряжение,
соответствующее наибольшей нагрузки РMAX (или РВ), предшествовавший
разрыву образца.
Определяется по формуле бв=РВ/F0
К показателям пластичности относятся:
1.Относительное удлинение после разрыва – отношение приращения
расчетной длины образца (lК-l0) после разрушения к начальной расчетной
длине l0 , выраженное в процентах.
Определяется по формуле б=lК-l0/l0*100 %
2.Относительное сужение – отношение абсолютного уменьшения
площади поперечного сечения в шейке образца(F0-FК) к начальной
площади сечения F0 выраженное в процентах (ссылка 4 ).
Определяется по формуле ψ= F0-FК/F0*100 %
2.1.3. Испытание на ударный изгиб
Для оценки склонности к хрупкому разрушению металла используют
динамические испытания. Наиболее распространены испытания на
ударный изгиб. Метод основан на разрушении образца с концентратором
посередине
одним
ударом
маятникового
копра.
Концы
образца
располагают на опорах. В результате испытания определяю полную
работу, затраченную при ударе (работа удара), К или ударную вязкость.
Под ударной вязкостью следует понимать работу удара, отнесенную к
начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора.
Испытания на ударный изгиб проводят на маятниковых копрах JB-300B.
Принцип действия копра основан на измерении количества энергии,
затраченной на разрушение образца единичным ударным нагружением.
Количество энергии определяется как разность между значениями
Лист
Курсовая работа (вариант №6)
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
10
потенциальной энергии маятника копра до удара, и после разрушения
образца.
В зависимости от требований к испытанию, на маятник могут
устанавливаться съемные молоты, входящие в стандартный комплект
поставки, что обеспечивает получение номинальной потенциальной
энергии маятников на копре в 150 и 300 Дж.
Показания измерений могут считываются с аналоговой круговой шкалы
копра .Копер управляется с пульта управления. Подъем и спуск маятника
осуществляется
автоматически.
Копры спроектированы и изготовлены в соответствии со стандартам
GB/T3808-2002
(ISO148-2-1998).
Маятниковый копер JB-300B должен устанавливаться на фундаменте или
должен быть установлен на основании, превышающем массу самого копра
в несколько раз (ссылка 5).
2.2.Коэрцитивная сила
Коэрцитивная сила(HC) – это напряженность магнитного поля, в
котором ферримагнитный образец, первоначально намагниченный до
насыщения, размагничивается.
Измерение коэрцитивной силы выполняется 3 раза для того, чтобы
определить среднее значение коэрцитивной силы.
Для измерения
используется прибор коэрцитиметр - структуроскоп К-61.Относительная
суммарная погрешность измерения +-5%;
величина зазора
между
наконечником датчика и изделия до 0,5 мм; время измерения – 3с.;для
настройки используется комплект стандартных образцов СОП HC -01-05Т.
Коэрцитиметр представляет собой переносной прибор с цифровой
индикацией результатов измерений и встроенным в корпус прибора
датчиком, представляющим собой электромагнит с вмонтированным в его
магнитную цепь феррозондом.
Лист
Курсовая работа (вариант №6)
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
11
Феррозонд
—
прибор
магнитомодуляшюнного
типа,
способный
реагировать на изменение слабых магнитных полей. В магнитной цепи
электромагнита феррозонд выполняет роль индикатора остаточной
намагниченности контролируемого участка изделия.
Электромагнит
служит
для
намагничивания
участка
изделия
и
последующего его размагничивания. Вместе с вмонтированным в его
средней части феррозондом и участком изделия электромагнит образует
замкнутую магнитную цепь (ссылка 6).
2.3.Микроструктурный анализ
Микроструктура - строение, наблюдаемое с помощью микроскопа при
увеличениях больше 50 раз. Микроструктурный анализ проводят на
специальных
образцах-микрошлифах.
Изготовление
образцов
(микрошлифов) обычно состоит из четырех основных операций:
а) вырезка образца;
б) шлифовка;
в) полировка;
г) травление.
Шлифовку осуществляют последовательным переходом на все более и более
мелкозернистую шлифовальную бумагу с нанесенным на нее абразивным
материалом. Шлифование производят механическим способом (на станках)
или вручную. Для того чтобы гарантировать полное исчезновение
шлифовальных
царапин,
нанесенных
на
предыдущей
(более
крупнозернистой) шлифовальной бумаге, направление шлифования должно
изменяться на 90° при переходе к шлифовальной бумаге с более мелким
абразивным зерном. После шлифования образец тщательно промывают
водой для удаления остатков абразива всех других загрязнений.
Лист
Курсовая работа (вариант №6)
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
12
Полировка является конечной ступенью подготовки поверхности шлифа. Она
(поверхность) должна быть плоской, зеркальной, свободной от царапин.
Способы полировки основаны на механическом или электрохимическом (или
их комбинации) удалении материала. Механическое полирование производят
на полировальном станке, диск которого обтянут тканью. На качественном
микрошлифе при наблюдении под микроскопом должны отсутствовать
риски, царапины. Микрошлиф после полировки промываю водой и спиртом,
просушиваю сжатым воздухом или фильтровальной бумагой. Затем его
исследую под микроскопом МЕТАМ РВ-21-2 при небольшом увеличении
для
контроля
качества
изготовления.
Для выявления структуры микрошлифы травят. В качестве травителя чаще
всего применяют слабые спиртовые или водные растворы кислот или
щелочей, а также смеси кислот. Обычно металлы или сплавы
поликристаллические
тела
-
состоят
из
большого
числа
-
различно
ориентированных кристаллитов или зерен. На границе зерен (даже
чистейших металлов) обычно располагаются различные примеси. Кроме
того, границы зерен имеют более искаженное кристаллическое строение, чем
сами зерна. Вследствие этого границы зерен имеют более низкий электрохимический потенциал и растворяются быстрее, чем тело зерна. На
поверхности
микрошлифа
появляется
микрорельеф,
который
при
рассмотрении в оптическом микроскопе создает различные сочетания света и
тени(ссылка 7).
Лист
Курсовая работа (вариант №6)
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
13
3.Экспериментальная часть
Дано: сталь А40Г (пруток)
3.1.Результаты механических испытаний
3.1.1. Показатели твердости
Было проведено 6 замеров. Твердость определяется по методу Роквелла:
тип индентора алмазный конус. Данные представлены в таблице 1.
№
Результаты замеров
Среднее значение
п/п
1
81,5
2
82,5
3
83
Среднее значение
4
82
равно 82
5
82
6
82
Таблица 1-Показатели твердости
Твердость по Роквеллу переведём в твердость по Бринеллю, она равна
156 кгс/мм2 HB
3.1.2.Показатели прочности и пластичности при испытаниях на
растяжение
Испытания проводилось на разрывной машине УММ-5. Размеры
образцов
выполнены
с
соответствием
ГОСТ.
Данные образца до испытания составляют L=58,1мм; d0=5мм
Данные образца после испытания составляют Lк=65,5мм; d0=4,1мм
Образец после испытания на растяжения показан на рисунке 1.
Курсовая работа (вариант №6)
Изм. Лист
Разраб.
Провер.
Н. Контр.
Утверд.
№ докум.
Вагина А.А.
Балина О.В.
Подпись Дата
Лит.
Экспериментальная
часть
Лист
Листов
ТИУ, ИПТИ, МТМ(ТЭК)бп-17-1
14
Рисунок 1-Образец после растяжения на разрывной машине УММ-5
Рисунок 2- График на растяжение
1.По графику (рисунок 2) определю Р0,2 для этого составлю пропорцию:
85=1136
55=х
Х=1136*55/85=735,05 кгс
Р0,2=735,05 кгс
Рв=1136кгс
2.Определю условный предел текучести б0,2:
б0,2=р0,2/F0=735,05/19,6=37,5*9,81=367,875Мпа
F0=Пd2/4=П*(5)2/4=19, 6 мм2
3.Определю предел прочности бв:
бв=рв/F0=1136/19,6=57,9*9,81=567,999Мпа
4.Определю относительное удлинение после разрыва б:
Лист
Курсовая работа (вариант №6)
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
15
б=lk-l0/l0*100 %=65,5-58,1/58,1*100%=12,7%
5.Определю относительное сужение ψ:
ψ= Fk-F0/F0*100 %=19,6-13,2/19,6*100%=52,8%
Fk=П*(dk)2/4=3,14*(4,1)2/4=13,2мм2
3.1.3. Результаты испытаний на ударный изгиб
Испытания на ударную вязкость проводились на маятниковом копре.
Работа удара(К) для Uобразного образца =16 Дж
Работа удара(К) для Vобразного образца= 7 Дж
Рисунок 3- Излом U и V образных образцов
В U и V образных образцах видим 100% хрупкое разрушение (рисунок 3)
Вычислим ударную вязкость для U и V-образных образцов:
KCU=К/S0=16/0, 8=20 Дж/см2
S0=1*0, 8=0,8см2
KCV= К/S0=7/0, 8=8,75 Дж/см2
S0=1*0,8=0,8см2
3.2. Результаты измерения коэрцитивной силы
Для определения коэрцитивной силы, было выполнено 6 измерений,
прибором коэрцитиметром К-61.Результаты измерения представлены в
таблице 2.
№
Результат измерения
Среднее значение
п/п
183 А/м
1
Лист
Курсовая работа (вариант №6)
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
16
2
183А/м
3
179А/м
4
187А/м
5
183А/м
6
184А/м
183А/м
Таблица 2- Результаты измерения коэрцитивной силы
3.3. Результаты микроструктурного анализа
А40Г - автоматная сталь, содержание углерода (С)-0,4%,марганца (Mn)1%.Сталь А40Г является доэвтектоидной. По фотографии микроструктуры
(рисунки 4,5), можно сказать, что она состоит из перлита и феррита.
Соотношение перлита и феррита составляет 50:50.
Рисунок 4-Соотношение перлита и феррита вдоль образца (увеличение 200)
Лист
Курсовая работа (вариант №6)
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
17
Рисунок 5- Соотношение перлита и феррита поперек образца (увеличение
200)
Содержание углерода в стали определяется по формуле:
ХС=0,8*Nn, где Nn-доля площади шлифа, занятой колониями перлита
ХС =0,8*0,5=0,40%
Лист
Курсовая работа (вариант №6)
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
18
Заключение
Протокол контроля качества материала
наименование контролируемой продукции: сталь А40Г(пруток)
Мар-
Микро-
ка
структура
Свойства
бТ,
МП
бв,
Мпа
б
Ψ
KCV
KCU
,
,
,
,
%
%
Дж/см2
Дж/см2
а
Экспер
HB
H
с
А/м
А40Г
пруток
367,8
567,9
12,7
32,8
8,75
20
156
182
А40Г
пруток
360
580
14
33
8
18
152
182
имента
льные
данные
Данные
по
сертиф
икату
качеств
а
По микроструктурному анализу углерода С в стали А40Г содержится
0,4% .Другие составляющие не изучались, поэтому обратимся к ГОСТу
1414-75, по которому:
Что соответсвует сертификату качества металлопродукции:
Марка
Химический состав, % (масс)
А40Г
С
Si
Mn
S
P
Cu
0,42
0,22
1,61
0,13
0,018
0,06
Вывод: Сталь А40Г (пруток) в целом соответствует сертификату качества,
поэтому она может применяться по назначению.
Курсовая работа (вариант №6)
Изм. Лист
Разраб.
Провер.
Н. Контр.
Утверд.
№ докум.
Вагина.А.А.
Балина О.В.
Подпись Дата
Лит.
Лист
Листов
Заключение
ТИУ, ИПТИ, МТМ(ТЭК)бп-17-1
19
Список использованных источников
1.ГОСТ 1414-75 Прокат из конструкционной стали высокой
обрабатываемости резанием. Технические условия.
2.Марочник сталей и сплавов/ сост.:А.С. Зубенко, М.М. Колосков и др.
М.: Машиностроение, 2003 – 783с.
3. ГОСТ 9013-59 Металлы. Методы измерения твердости по Роквеллу
4. ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытаний на растяжение
5.Испытания
на
ударный
изгиб.
Режим
доступа:
https://studfiles.net/preview/4426686/page:4/
6. Коэрцитиметр К-61. Сайт Гранат. Режим доступа: http://granate.ru/coercimeter_k-61.html
7.Микрострктурный
анализ
металлов,
методические
указания,
составитель: доцент В.П.Самоделкин.
Курсовая работа (вариант №6)
Изм. Лист
Разраб.
Провер.
Н. Контр.
Утверд.
№ докум.
Подпись Дата
Лит.
Вагина А.А.
Балина О.В.
Литература
Лист
Листов
ТИУ, ИПТИ, МТМ(ТЭК)бп-17-1