07.04.20г 961 Материаловедение

Тема занятия Изучение микроструктур цветных металлов и сплавов на их основе (практическая работа).

Теоретическое обоснование

Медь и ее сплавы. Чистая медь – металл красновато-розового цвета с кристаллической решеткой ГЦК, температура плавления 1083°С, обладает высокой тепло- и электропроводностью, пластичностью и высокой коррозионной стойкостью.

В зависимости от чистоты металла медь изготавливают следующих марок: М00 (99,99% Сu), М0 (99,95% Cu), М1 (99,9% Cu), М2 (99,7% Cu),М3 (99,5% Cu).

Различают две основные группы медных сплавов: латуни и бронзы.

Сплав меди с цинком, называется латунью. Сплав меди со всеми другими элементами называют бронзами.

Латунь. Медь с цинком образуют твердые растворы с предельной растворимостью 39% (рис. 1). При большем содержании цинка образуются твердые растворы на базе электронного соединения CuZn (β-фаза), обладающего высокой хрупкостью. В зависимости от содержания цинка латуни делятся на однофазные α-латуни и двухфазные (α+β)-латуни, в которых цинка больше 39%.

Двойные латуни по структуре разделяются на две группы:

− однофазные латуни со структурой α-твердого раствора;

− двухфазные со структурой (α+β)-фаз.

Однофазные латуни обладают высокой пластичностью, поэтому они, в основном, выпускаются в виде холоднокатанных полуфабрикатов: полос, проволоки, лент, листов из которых изготавливают детали методом глубокой вытяжки (радиаторные трубки, сильфоны, трубопроводы, а также детали по условиям эксплуатации от которых не требуется высокая твердость (шайбы, втулки, уплотнительные кольца и др.).

В результате наклепа прочность α-латуней повышается, а пластичность уменьшается. Для снятия наклепа латуни подвергают рекристаллизационному отжигу при 500–700°С.

Рис. 1 - Диаграмма состояния Cu – Zn (а)

и влияние цинка на механические свойства меди (б)

Микроструктура литой α-латуни (рис. 2) имеет дендритное строение. Под микроскопом дендриты, выпавшие из жидкости первыми и обогащенные медью, находятся в виде светлых участков; темные участки, представляют собой междендритное пространство, обогащенное цинком.

а) – микроструктура (× 250); б) – схема микроструктуры.

Рис. 2 - Литая α-латунь с 30% цинка марки Л70

а) – микроструктура (×100); б) – схема микроструктуры.

Рис. 3 - Деформированная и отожженная латунь

Микроструктура деформированной и отожженной латуни (рис. 3) имеет зернистое строение и характерные полоски двойников и отличается низкой твердостью и высокой пластичностью.

Вследствие различной ориентировки зерен (анизотропии) они травятся с разной интенсивностью, поэтому под микроскопом имеют различную окраску.

Микроструктура (α+β)-латуни (рис. 4) состоит из светлых полей α-латуни и темных полей β-латуни. Эта структура отличается несколько меньшей пластичностью и большей твердостью по сравнению с α -латунью.

Рис. 4 - Микроструктура (α+β)−латуни

Рис. 5 - Диаграмма состояния сплавов меди с оловом

Кроме простых латуней применяют специальные (легированные Al, Fe, Ni, Sn, Pb) латуни.

Все латуни по технологическому признаку подразделяются на деформируемые и литейные. Деформируемые латуни поставляются следующих марок: Л96, Л90, Л80, где Л – означает слово латунь, цифры целые доли процента меди, остальное цинк. Легированные латуни маркируются следующим образом: ЛАЖ60-1-1, где 60 означает целые доли процента меди, 1 – содержание алюминия в целых долях процента, соответственно Ж – железа, тоже 1%, остальное цинк.

Сплавы меди с оловом, свинцом, кремнием, алюминием и другими элементами кроме цинка называются бронзами. Диаграмма состояния меди с оловом (рис. 5) подобна диаграмме состояния меди с цинком.

В сплавах образуется α-твердый раствор олова и меди. Основой β-твердого раствора служит соединение Cu5Sn, а основой γ-твердого раствора служит соединение Cu31Sn8.

Микроструктура литой оловянистой бронзы, содержащей 10% олова, после травления 8% аммиачным раствором CuCl2 состоит из темных дендритов α−твердого раствора олова в меди (рис. 6), богатых оловом и содержащих эвтектоид α+Cu31Sn8, который выявляется путем травления 3%-ным раствором FeCl3 в 10%-ном HCl; последний хорошо выделяет светлый эвтектоид на темном фоне участков структуры, богатых оловом (рис.7).

Травление 8%-ным раствором CuCl2 (×250)

Рис. 6 - Оловянистая бронза;

Травление 3%-ным раствором HNO3 в 10%-ном растворе HCl (× 2000).

Рис. 7 - Оловянистая бронза

Двухфазные бронзы, содержащие олова более 5%, обладают хорошими антифрикционными свойствами. Двухфазные бронзы, содержащие в структуре твердый эвтектоид, применяются только в литом виде.

Различают литые и деформируемые оловянные бронзы.

Деформируемые бронзы предназначаются только для пружин и пружинных деталей, структура их состоит из α−фазы. Маркируются: БрОФ6,5-0,15, где Бр означает – бронза, О – оловянная, олова 6,5%; Ф – легированная фосфором в количестве 0,15%; остальное медь.

Литейные бронзы имеют двухфазную структуру и маркируются по тому же принципу, как и деформируемые, например: БрОЦСН3-7-5-1, где олова 3%, цинка 7%, свинца 5%, никеля 1%, остальное медь. Из литейных бронз изготавливают антифрикционные детали, (втулки, подшипники, червячные пары и т. д.), а также арматуру, работающую в агрессивных средах.

Кроме оловянных бронз широко распространены алюминиевые бронзы марок БрА5, БрАНЖ 10-4-4 и т.д., свинцовые бронзы марки БрС30 и т.д., кремнистые бронзы, которые маркируются аналогично вышеописанной маркировки:БрКР1-3, БРКМц 3-1 и т.д.

Алюминиевые сплавы. Все сплавы на алюминиевой основе по технологическим признакам можно разделить на деформируемые и литейные, на упрочняемые термической обработкой и неупрочняемые термической обработкой (рис. 8).

Рис. 8 - Классификация алюминиевых сплавов по диаграмме

состояния алюминий – легирующий элемент (схема)

Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термообработкой, характеризуются невысокой прочностью, высокой пластичностью и высокой коррозионной стойкостью. К ним относятся сплавы алюминий-марганец (АМц) и (АМг). Эти сплавы являются однофазными.

Деформируемые сплавы, упрочняемые термообработкой являются двухфазными. Наиболее распространенным представителем сплавов, упрочняемых термической обработкой, является дуралюмин.

Литейные сплавы алюминия с кремнием называются силуминами. Часть диаграммы алюминия с кремнием приведена на рис 9.

Эти сплавы, как правило, содержат 6-13% Si, кремний ограниченно растворяется в алюминии, образуя α-фазу. При содержании 11,6% кремния образуется эвтектика, состоящая из α-фазы и практически чистых кристаллов кремния, поэтому механические свойства таких сплавов низки. Механические свойства этих сплавов повышают путем модифицирования.

Микроструктура силумина до модифицирования представлена на рис. 10, рис. 11, грубое строение эвтектики в микроструктуре сплава, а также наличие крупных первичных кристаллов кремния предопределяют низкие механические свойства сплава.

Рис. 9 - Диаграмма состояния

алюминий – кремний

Силумины модифицируют натрием или солями натрия в количестве 1% от массы жидкого сплава. В результате модифицирования температура кристаллизации избыточных кристаллов

кремния и эвтектики понижается, что приводит к измельчению зерна и повышению механических свойств сплава.

Рис. 10 - Микроструктура силумина

до модифицирования (×200)

Рис. 11 - Микроструктура силумина

после модифицирования (×200)

Силумины с добавками меди, магния и марганца подвергают закалке с температуры 520-540°С,

с целью повышения механических свойств. Искусственное старение проводят при 150-180°С

в течение 10-20 ч.

Сплавы алюминия с медью, марганцем, магнием называют дуралюминием.

Дуралюмины хорошо деформируются в холодном и горячем состоянии.

После холодной деформации дуралюмины подвергают рекристаллизационному

отжигу Микроструктура дуралюминов после закалки состоит из светлых кристаллов

твердого раствора на основе алюминия и темных включений CuAl2 (рис 12).

Типичными представителями деформируемых и литейных сплавов

на алюминиевой основе являются дуралюминий (Д1, Д16 и др.) и

силумин (АЛ2).

Рис. 12 - Микроструктура

дуралюминия (закалка и старение), ×200

при температуре 340-370°С.

Т ермическая обработка дуралюмина состоит из закалки от температуры 490-510°С

с охлаждением

в воде. После закалки дуралюмин подвергают старению, что придает

ему высокую прочность и твердость. Естественное старение происходит

при комнатой температуре в течение 5-7 суток. Искусственное старение

проводят при 150-180°С в течение 2-4 часов.

Микроструктура дуралюминов после закалки состоит из светлых кристаллов

твердого раствора на основе алюминия и темных включений CuAl2 (рис 12).

Типичными представителями деформируемых и литейных сплавов

на алюминиевой основе являются дуралюминий (Д1, Д16 и др.) и

силумин (АЛ2).

Рис. 12 - Микроструктура

дуралюминия (закалка и старение), ×200

ЗАДАНИЕ:

1.Изучить и кратко описать в отчете основные структуры цветных металлов и сплавов

2.Определить состояние сплава алюминий – кремний (кремния 42%) при температуре800⁰С

3.Сравнить свойства латуни со структурой α-твердого раствора и

со структурой (α+β)-фаз.

4.Расшифруйте марки: БрОФ6,5-0,15; АМц ; АЛ4; Д2; ЛС59-1

Отчет , выполненной работы выслать на почту преподавателя в форме фотоотчета