Методичні рекомендації до проведення самостійної, контрольної, лабораторних робіт із дисципліни «матеріалознавство»

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
МІСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА імені О. М. БЕКЕТОВА
МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ до проведення самостійної, контрольної, лабораторних робіт
із дисципліни
«МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО»
(для студентів освітньо-кваліфікаційного рівня «бакалавр»
спеціальності 185 – Нафтогазова інженерія та технології)
Харків – ХНУМГ ім. О. М. Бекетова – 2018

2
Методичні рекомендації до проведення самостійної, контрольної, лабораторних робіт
із дисципліни
«Матеріалознавство»
(для студентів освітнього рівня «бакалавр» спеціальності185–Нафтогазова
інженерія та технології)
/
Харків. нац. ун-т міськ. госп-ва
ім. О. М. Бекетова ; уклад. : С. В. Шаповал. – Харків. : ХНУМГ
ім. О. М. Бекетова, 2018. – 62 с.
Укладач канд. техн. наук, доц. С. В. Шаповал
Рецензенти:
О. В. Кондращенко, доктор технічних наук, професор Харківського національного університету міського господарства імені О. М. Бекетова;
А. А. Жигло, кандидат технічних наук, доцент Харківського національного університету міського господарства імені О. М. Бекетова
Рекомендовано кафедрою технології будівельного виробництва та
будівельних матеріалів, протокол № 1 від 30.09. 2017.

3
ЗМІСТ
Вступ…………………………………………………………………..……..
4 1 Самостійна робота студентів……………………………………………..
5 2 Контрольна робота………………………………………………………...
7 3 Лабораторні роботи……………………………………………………….. 12
Лабораторна робота № 1Макроскрпічний метод дослідження металів та сплавів…………………………………………………………. 12
Лабораторна робота № 2 Мікроскопічний метод дослідження металів та сплавів…………………………………………………………. 31
Лабораторна робота №3 Визначення критичних точок і побудова діаграми стану для сплавів……………………………………………….
42
Лабораторна робота № 4 Контроль якості зварних з’єднань вуглецевих сталей…………………………………………………………
47
Список рекомендованих джерел………………………………….…………. 62

4
ВСТУП
Програма вивчення навчальної дисципліни «Матеріалознавство» складена відповідно до освітньо-професійної програми підготовки бакалавра спеціальності 185 – Нафтогазова інженерія та технології.
Предметом вивчення навчальної дисципліни є метали і сплави для нафтогазової
інженерії та технології.
Вивчення цієї дисципліни безпосередньо спирається на фізику, хімію, основи геології. На результати вивчення цієї дисципліни безпосередньо спираються: теорія механізмів і машин, матеріали та трубопровідна арматура трубопроводів та сховищ.
Метою викладання навчальної дисципліни «Матеріалознавство» є набуття студентами знань, умінь і навичок, які дозволять оцінювати можливість і доцільність застосування сучасних матеріалів у нафтогазовій технології та інженерії.
Основними завданнями вивчення дисципліни «Матеріалознавство» є
– вивчити фізико-механічні властивості сплавів чорних і кольорових металів і оволодіти методами їх визначення;
– вказати галузі застосування металів, сплавів на їх основі та композиційних матеріалів.
Згідно з вимогами освітньо-професійної програми студенти повинні:
– знати фізико-механічні властивості сплавів чорних і кольорових металів, методи їх визначення; галузі застосування металів, сплавів на їх основі та композиційних матеріалів; технологічні основи виробництва матеріалів і їх обробки;
– вміти користуватися технічною документацією щодо властивостей матеріалів; оцінювати можливість і доцільність застосування у нафтогазовій технології та інженерії сучасних матеріалів; кількісно визначати фізико- механічні параметри матеріалів, які використовуються на пожежонебезпечних об’єктах.

5
1 САМОСТІЙНА РОБОТА СТУДЕНТІВ
Самостійна робота виконується студентами під час практичних занять в робочих зошитах. Після пояснювання загальних положень щодо вирішення поставлених завдань викладач задає вихідні дані студентам за варіантами.
Для засвоєння лекційного курсу студенти вдома письмово в робочих зошитах відповідають на поставлені запитання. Обсяг роботи – 2-3 арк.
Поточне оцінювання виконання самостійних робіт здійснюється під час проведення практичних занять і має на меті перевірку рівня підготовленості студента до виконання конкретної роботи. Об’єктами такого контролю є:
– підготовка до занять та якість ведення зошиту з практичних занять, відвідування занять;
– виконання завдань безпосередньо на практичних заняттях;
– захист самостійної роботи.
Знання студентів оцінюються за кожною роботою: при оцінюванні за національною шкалою – за системою «зараховано» або «незараховано», за шкалою ECTS успішний захист всіх робіт становить 5 % від усієї кількості балів із дисципліни.
Тема 1 Вступ. Роль вітчизняних та зарубіжних учених у розвитку науки
«Матеріалознавство».
1.1Значні досягнення Аносова П.П. у галузі металургії.
1.2 Праці Чернова в області інтенсифікації металургійних процесів і вдосконалення техніки виробництва.
1.3 Французький вчений Ф. Осмонд про поліморфні перетворення в сталі.
Тема 2 Характеристика основних груп властивостей металів.
Особливості різних методів визначення твердості металів.
Тема 3 Плавлення металів. Механізм кристалізації металів. Можливість регулювання процесу кристалізації з метою одержання необхідних структури
і властивостей.

6
Тема 4 Залізовуглецеві сплави. Зв’язок між діаграмами стану і властивостями сплавів.
Тема 5 Леговані сталі та сплави. Вплив легування на структурні перетворення і властивості сталей.
Тема 6Чавуни.Історія виробництва чавуну.
Тема 7Кольорові метали і сплави.Порівняльна характеристика кольорових металів.
Тема
8
Класифікація конструкційних матеріалів.
Розвиток конструкційних матеріалів.
Тема 9 Матеріали із особливими технічними властивостями. Галузі застосування жароміцних і жаростійких, нержавіючих і холодостійких сталей та сплавів, сплавів спеціального призначення.
Тема 10 Порошкові матеріали. Порошкова металургія конструкційних матеріалів.
10.1 Застосування порошкових матеріалів
10.2 Технологія порошкової металургії
Тема 11 Корозія металів. Біокорозія. Боротьба з корозією.
11.1 Хімічна корозія
11.2 Електрохімічна корозія
Тема 12 Поняття про металургію. Поняття про способи одержання високоякісної сталі.
Тема 13 Ливарне виробництво та його значення для народного господарства. Характеристика основних видів обробки металів тиском.
Тема 14Основи технології і організації виробництва металевих виробів.
Технологія виготовлення виробів із металевих порошків.

7
2 КОНТРОЛЬНА РОБОТА
Навчальним планом при вивченні дисципліни «Матеріалознавство» передбачено виконання контрольної роботи (КР) для студентів заочної форми навчання. Виконання КР необхідне для систематизації, закріплення та розширення теоретичних і практичних знань з дисципліни. Контрольна робота виконується у 4 семестрі студентами заочної форми навчання.
Приблизний обсяг контрольної роботи складає 12-15 сторінок, куди входять відповідь на теоретичне питання за конкретною темою та рішення задачі.
Оцінювання виконання (КР).
Якість виконання КР оцінюється за такими критеріями:
– самостійність виконання;
– логічність і послідовність викладення матеріалу;
– повнота розкриття теми (теоретична частина);
– проведення розрахунків при виконанні задач;
– обґрунтованість висновків;
– використання довідкової літератури;
– якість оформлення.
Знання оцінюються за національною шкалою або за системою оцінювання за шкалою ECTS.
Варіант № 1
1. Проаналізуйте вплив домішок на властивості сталі.
2. Перелічіть фактори, що впливають на вибір матеріалів для обладнання газовидобувної галузі.
2. Проаналізуйте діаграму сплавів І роду.
3. Поясніть маркування сталей звичайної якості.
4. Використання ковких чавунів у машинобудуванні.

8
Варіант № 2
1.
Що таке сталь?
Охарактеризуйте властивості сталі, зарекомендуйте сфери використання різних марок сталей.
2.
Проаналізуйте умови роботи обладнання в газонафтовій промисловості.
3.
Накресліть діаграму стану сплавів заліза з вуглецем. Покажіть на цій діаграмі лінії ліквідусу і солідусу.
4.
Проаналізуйте діаграму сплаву ІІ роду.
Варіант № 3
1.
Накресліть криві нагрівання й охолодження заліза, укажіть критичні точки.
2.
Сформулюйте основні вимоги до матеріали, з яких виробляють труби для газонафтової промисловості.
3.
Поясніть маркування ковких чавунів.
4.
Як класифікуються сталі і чавуни?
Варіант № 4
1.
Назвіть три типи атомно-кристалічних ґрат металів, що найбільше часто зустрічаються.
2.
Які механічні властивості можна встановити при розтягуванні металу?
3.
Поясніть маркування високоміцних чавунів.
4.
Сформулюйте правило фаз. Пояснить, що таке варіантність.
Варіант № 5
1.
Що таке цементит?
2.
Види сплавів та їх характеристика.
3.
Типи кристалічних ґраток.
4.
Використання вуглецевих інструментальних сталей.

9
Варіант № 6
1.
Кристалічна будова металів.
2.
Алотропічні перетворення металів (показати на прикладі заліза).
3.
Класифікація вуглецевих сталей.
4.
Використання в машинобудуванні високоміцних чавунів
Варіант № 7
1.
Що означає лінія “солідус” на діаграмах стану?
2.
Властивості основних структур залізовуглецевих сплавів.
3.
Від чого залежать властивості металів?
4.
Класифікація чавунів.
Варіант № 8
1.
Якими хімічними елементами визначається якість сталі?
2.
Що таке мартенсит?
3.
Використання в машинобудуванні якісних вуглецевих сталей.
4.
Використання в машинобудуванні сірих чавунів
Варіант № 9
1.
Що означає лінія “ліквідус” на діаграмах стану?
2.
Властивості основних структурних складових діаграми сплаву
Fe – Fe
3
C.
3.
Використання в машинобудуванні сталей звичайної якості.
4.
Чим зумовлені процеси перекристалізації металів?
Варіант № 10
1.
Технологія отримання ковких чавунів.
2.
Яка різниця між сталями і чавунами за хімічним складом?
3.
Основні види структур залізовуглецевих сплавів.
4.
Дайте визначення хіміко-термічної обробки (ХТО).

10
Варіант № 11
1.
Позначення основних легуючих елементів у легованих сталях.
2.
Маркування бабітів.
3.
Хімічний склад бронзи.
4.
Використання латуні
Варіант № 12
1.
Класифікація легованих сталей за призначенням.
2.
Маркування магнієвих сплавів.
3.
Хімічний склад латуні
4.
Використання бронзи.
Варіант № 13
1.
Класифікація легованих сталей залежно від вмісту вуглецю.
2.
Маркування титанових сплавів.
3.
Термічна обробка сталей з особливимиелектричними та магнітними властивостями.
4.
Використання жароміцних і теплостійких сталей.
Варіант № 14
1.
Класифікація легованих сталей залежно від вмісту основного легуючого елемента.
2.
Маркування силуміну.
3.
Хімічний склад жароміцних і теплостійких сталей.
4.
Термічна обробка магнієвих сплавів.
Варіант № 15
1.
Маркування дюралюмінію.
2.
Хімічний склад зносостійких сталей.
3.
Термічна обробка титанових сплавів.
4.
Використання нержавіючих сталей.

11
Варіант № 16
1.
Маркування ресоро-пружних сталей.
2.
Хімічний склад нержавіючих сталей.
3.
Термічна обробка силуміну.
4.
Використання зносостійких сталей.
Варіант № 17
1.
Маркування, склад і використання металокерамічних твердих сплавів для обробки металів різанням.
2.
Маркування швидкорізальних сталей.
3.
Хімічний склад сталей з особливимиелектричними та магнітними властивостями.
4.
Термічна обробка дюралюмінію.
Варіант № 18
1.
Особливості термічної обробки легованих сталей.
2.
Маркування покрашувальних сталей.
3.
Термічна обробка нержавіючих сталей.
4.
Використання сталей з особливимиелектричними та магнітними властивостями.
Варіант № 19
1.
Маркування сталей з особливимиелектричними та магнітними властивостями.
2.
Хімічний склад покрашувальних сталей.
3.
Термічна обробка швидкорізальних сталей.
4.
Використання ресоро-пружних сталей.
Варіант № 20
1.
Відпускна крихкість легованих сталей ІІ роду.
2.
Маркування нержавіючих сталей.
3.
Хімічний склад ресоро-пружних сталей.
4.
Використання дюралюмінію.

12
3 ЛАБОРАТОРНІ РОБОТИ
Основна мета лабораторних робіт – ознайомлення студентів з практичним використанням методів дослідження та випробуванням металів для рішення основних наукових і технічних завдань. Студенти мають вивчити структуру металу, вплив на неї пластичної деформації та термічної обробки.
Лабораторна робота № 1
МАКРОСКОПІЧНИЙ МЕТОД ДОСЛІДЖЕННЯ
МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
Мета роботи: ознайомитися з основними об’єктами дослідження макроструктури металів і технологією їх виготовлення, засвоїти основні методи макроскопічного аналізу металів і сплавів.
Теоретичні відомості
Макроскопічний аналіз (макроаналіз) – це метод дослідження будови металів і сплавів неозброєним оком або через лупу при невеликих збільшеннях (до 30 разів). Будову металів і сплавів, яку визначають за допомогою макроскопічного аналізу називають макроструктурою.
Макроаналізом можна виявити такі важливі особливості будови
металу: грубі неметалеві включення; приховані дефекти металу (тріщини, пористість, усадкова пухкість, зональна неоднорідність, газові пори, центральна пористість, свищі. шлакові включення тощо); вид зламу й особливості кристалічної будови матеріалу, причини руйнування деталі; характер кристалічної будови (дендритна будова, ділянки транскристалізації литого металу, зерниста будова прокатного і відпаленого металу, волокниста структура деформованого металу, розміщення волокон у композиційному матеріалі тощо); наявність включень у металі та характер їх розміщення
(наприклад, ліквація в сталях сульфідів, фосфідів й інших включень); структура металу, що формується при первинній кристалізації; ступінь хімічної неоднорідності та будови поверхневих шарів виробів після термічної,

13 хіміко-термічної та термомеханічної обробки; неоднорідність будови сплавів, зумовлена обробкою тиском; структура та якість зварних з’єднань (не провари, шаруватість наплавленого металу, шлакові включення, усадкова пухкість, ліквація домішок тощо).
Необхідно зауважити, що мікроаналіз не є завершальним методом дослідження. Він лише дає змогу зробити попередній висновок про структуру металу і не виявляє багатьох особливостей його будови.
Об’єкти макроскопічного аналізу. Макроструктуру можна вивчати на таких об’єктах дослідження: поверхня виробів, заготовок (напівфабрикати, поковки, виливки тощо), зламах та макрошліфах. Поверхня заготовки або виробу дає інформацію про дефекти макроструктури, які утворилися безпосередньо на його поверхні: шламові включення, тріщини, пористість. пухкість тощо.
Злам – це поверхня повного руйнування зразка або деталі. Будова зламу може свідчити про характер прикладеного навантаження (розтягування, стискання, кручення, згинання або складніші схеми деформування), зміну його у часі (статичне, динамічне, циклічне), а також структурний стан матеріалу. Науку, що визначає будову зламів, називають фрактографією.
Вивчення будови зламів макроскопічним аналізом є одним з найдавніших методів оцінки якості матеріалів.
Макрошліфи – це вирізані з виробу або напівфабрикату зразки з плоскою шліфованою поверхнею, будову яких вивчають після травлення хімічними реактивами. Дослідження макрошліфів дає змогу розв’язувати широке коло завдань при оцінці якості матеріалів.
Класифікація зламів за основними ознаками. Макроскопічне дослідження зламів передбачає їх оцінку і класифікацію за такими основними ознаками: особливостями будови, характером силової дії, орієнтацією поверхні руйнування, мікрогеометрією поверхні, енергією та мікромеханізмом руйнування, ступенем пластичної деформації під час руйнування, шорсткістю, блиском, кольором.

14
За особливостями будови злами поділяють на крихкі, в’язкі (пластичні),
втомні й змішані. За характером силової дії розрізняють злами від тривалого
або
короткочасного
одноразового
статичного
або
динамічного
навантажень, а також від циклічного (багаторазового) навантаження.
За ступенем пластичної деформації при руйнуванні виділяють злами
крихкі, квазікрихкі та в’язкі. Критерієм, за яким оцінюють ступінь пластичної деформації при руйнуванні, є відносне звуження при випробуваннях на розтяг: для крихкого зламу ψ < 1,5 %, квазікрихкого ψ = 1,5 % і в’язкого
ψ > 1,5%.
За ступенем шорсткості, блиском і кольором злами поділяються на
кристалічні,
волокнисті,
волокнисто-стрічкові,
волокнисто-лускаті,
кам’янисті, фосфористі, нафталінові, оксамитові, блискучі, матові, сірі,
чорні тощо. Відмінність за кольором є однією з характерних ознак зламів, пов’язаних з будовою, умовами випробування і ступенем легованості сталі.
Вуглецеві сталі мають сріблястий колір зламу, нікелеві – світло-сірий, а марганцевий – тьмяно-сірий.
Крихким (рис.3.1)називають злам, що утворився при руйнуванні без видимої макропластичної деформації, переважно під впливом пружної деформації. Крихке руйнування матеріалу характеризується малими значеннями ударної в’язкості та незначною мікропластичною деформацією.
Рисунок 3.1– Зразок з чавуну після крихкого руйнування

15
Крихкі злами можуть бути
череззеренні
(руйнування розповсюджується тілом зерен) або міжзеренні (процес руйнування проходить переважно вздовж границь зерен). Відрізнити череззеренний злам від міжзеренного, особливо при малих розмірах зерен, важко, наприклад для сталей, тоді як для окремих кольорових металів це зробити легко.
Поверхня крихких зламів складається з великої кількості гладких площинок – фасеток (рис. 3.2, а), на яких відсутні видимі сліди пластичного деформування. Унаслідок цього злам – світлий, блискучій. Поверхня фасетки
є певною кристалографічною площиною зерен матеріалу (площиною спайності). Тому найчастіше розміри фасеток відповідають розмірам тих структурних складових, по границях яких проходить (локалізується) руйнування (наприклад, зерен, колоній перліту). Крихкі злами орієнтуються перпендикулярно до напрямку найбільших макроскопічних напружень розтягу.
Сходинка – елемент поверхні крихкого або квазікрихкого руйнування, що утворюється при з’єднанні двох поверхонь руйнування, що розташовані на різних рівнях, або в результаті відколу вздовж межі мікродвійників.
Спостерігається при внутрішньозеренному крихкому руйнуванні (рис. 3.2, б).
Відкол – механізм крихкого руйнування: розділення металу по площинках, що збігається з кристалографічними площинками зерен
(внутрішньозеренний відкол) або плоскими ділянками між зернами
(міжзеренний відкол). Характеризується поверхнею руйнування, що складається з фасеток, сумірних з розмірами зерен, і практично не має ознак пластичної деформації.
Квазівідкол – механізм внутрішньозеренного квазікрихкого руйнування, що характеризується розділенням металу по площинках, що не збігаються з кристалографічними площинками зерен. Характеризується поверхнею руйнування, що складається з фасеток, які мають розміри менше розмірів зерен, зі слабо вираженими ознаками локальної пластичної деформації.

16
Злиття
мікропустот
– механізм внутрішньозеренного або міжзеренного в’язкого руйнування, що характеризується поділом металу шляхом зародження, росту і злиття мікропор при пластичній течії металу.
Характеризується поверхнею руйнування, що має ямковий мікрорельєф з різним ступенем розвитку ямок і значною пластичною деформацією всієї поверхні (рис.3.2, в, г). а б в г д е
Рисунок 3.2 – Елементи мікробудови поверхні зламів: а – фасетки відколу з ділянкою втомних рівчаків; б – сходинки відколу, в – міжзеренне руйнування, г – внутрішньозеренне в’язке руйнування, д – рівчаковий узор е – язички

17
Рівчаковий узор – елемент будови поверхні фасеток відколу і квазівідколу, що утворюється в результаті руйнування перемичок між фасетками, які розташовані в довколишніх кристалографічних площинках, паралельних один одному, і являє собою систему сходинок відколу, що зливаються. Напрямок злиття сходинок відколу в рівчаковому узорі відповідає напрямку поширення тріщини (рис. 3.2, д).
Язички – елементи будови поверхні фасеток відколу трикутної або трапецієподібної форми, які утворюються в результаті локального руйнування вздовж поверхні розділу матриця-двійник, спостерігаються при внутрішньозеренному крихкому або квазікрихкому руйнуванні (рис.3.2, е).
Осередок руйнування – ділянка поверхні зламу, в якому відбулося зародження тріщини.
Зона зародження тріщини – ділянка зламу, прилегла до осередку руйнування.
Зона розвитку тріщини – ділянка зламу, що знаходиться далеко від осередку зародження тріщини.
Зона долому – ділянка зламу, що прилягає до закінчення тріщини у поверхні зразка, протилежна осередку зародження тріщини. Розрізняють тріщини первинні, які поширюються з осередку руйнування і утворюють поверхню руйнування, і вторинні, що поширюються з окремих центрів руйнування, що розташовані на поверхні зламу і є поперечними щодо площини первинного зламу.
Злам певною мірою є своєрідною фотографією тих процесів, які відбувалися при руйнуванні досліджуваного об’єкта.
В’язким (пластичним) називають злам, що утворився при руйнуванні зі значною за величиною пластичною деформацією. Значна деформація, що передує утворенню в’язкого зламу, змінює форму і розмір поперечного перерізу зразка або деталі (рис. 3.3). Ці зміни найпомітніші поблизу зламу та
є ознаками пластичного руйнування. На досить в’язких зламах найчастіше присутні такі дефекти, як шиферність, розшарування, виріши. Їх виникнення

18 пов’язане з різною здатністю до деформування сусідніх груп волокон, які тією чи іншою мірою є ознакою пластичного руйнування.
Рисунок 3.3 – Зразок з алюмінієвого сплаву після в’язкого руйнування
Поверхня в’язкого зламу внаслідок сильної деформації зерен у при поверхневому шарі не має кристалічного блиску, темна, тьмяна, оксамитова, волокниста. На поверхні в’язких зламів так само, як і на поверхні крихких, можуть спостерігатися нерівності у вигляді рубців, що виходять з початкової зони руйнування.
Утворення в’язкого зламу означає, що матеріал до руйнування витримав напруження, співмірне з границею міцності. Причинами виникнення пластичних зламів під час експлуатації виробів головним чином
є значні перевантаження, які виникли або через стрімке порушення нормальних умов роботи конструкції, або помилки, допущені при розрахунках її на міцність.