ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Расчетная часть. Определение кажущегося содержания цинка и количества структурных составляющих в легированной латуни.

Лабораторная работа № 2

МЕДЬ И ЛАТУНИ

Цель работы: ознакомиться с микроструктурой технической меди, простых и легированных латуней. Научиться различать типичные структуры, основные структурные составляющие и дефектные структуры медных сплавов. Определить кажущееся содержание цинка в специальной латуни заданной марки, описать структуру и предполагаемые свойства.

Теоретическая часть.

Техническая медь. Медь, как чистый металл, известна под названием красной меди благодаря характерному красному цвету. Из всех промышленных металлов отличается наиболее высокой электропроводностью и теплопроводностью. Медь обладает хорошей пластичностью (благодаря наличию в ГЦК решетке нескольких плоскостей скольжения), что позволяет изготавливать из нее проволоку, листы, трубы, тонкостенные изделия. Главным образом она применяется в электромашиностроении для токопроводящих изделий, а как материал хорошо проводящий тепло для деталей теплообменников в нагревательном оборудовании (в том числе - в доменных печах и в реакторах в виде теплоотводящих узлов и деталей).

Медь имеет следующие характеристики:

Т_плавл = 1038 ^оС;

удельный вес - 8,9 г/см ³;

Твердость – 30..40 НВ;

σ_в = 200 МПа;

δ = 50 %.

Примеси даже в очень небольших количествах ухудшают качество меди:

а) сера попадает в металл при выплавке, т.к. медь встречается в природе в виде сульфидных соединений (или при нагреве в термопечах, обогреваемых жидким топливом). Образует соединение Cu₂S, которое под микроскопом выглядит в виде голубовато-серых включений, может так же образовывать эвтектику Cu+Cu₂S. Это соединение хрупкое и резко понижает пластичность меди и в холодном, и в горячем состоянии, но при резании эта примесь полезна, т.к. создает условия для получения мелкой стружки;

б) кислород попадает в медь при реакции окисления (во время выплавки) или при окислении поверхности жидкой меди при литье. Образует соединение Cu₂O голубоватого цвета при содержании более 0,005 % (в поляризованном свете принимает рубиново-красную окраску), а так же эвтектику Сu+Cu₂O, которая располагается по границам зерен и снижает механические свойства, делает невозможной ГПД, затрудняет пайку и лужение. При нагреве в атмосфере с Н₂ и СН₄, атомарный водород диффундирует по границам зерен и, соединяясь с кислородом, образует пары воды, что способствует растрескиванию, т.к. пар стремиться выделиться под определенным давлением. Это явление называется водородной болезнью меди. Для нейтрализации кислорода в медь вводят мышьяк и сурьму, которые улучшают технологические свойства, но снижают электропроводность;

в) висмут встречается как примесь во вторичной меди, образует легкоплавкую эвтектику по границам зерен (Т_пл = 270 ^оС), способствует красноломкости - растрескиванию при ГПД. Кроме того, при содержании более 0,005 % делает невозможной ХПД из-за хрупкости. На электропроводность существенно влияния не оказывает;

г) свинец, как и висмут, дает красноломкость, однако являясь пластичной примесью, не влияет на ХПД, но улучшает обрабатываемость резанием. Загрязненную свинцом медь применяют для производства литейных бронз и для неответственных сплавов;

д) сурьма сильно понижает электро- и теплопроводность металла и может образовывать хрупкие соединения с другими примесями, что снижает технологические свойства;

е) мышьяк действует, как и сурьма, сильно понижая тепло- и электропроводность, но может служить и полезную службу - нейтрализовать вредное действие кислорода, висмута, сурьмы. Добавки до 0,5 % значительно повышают жаростойкость;

ж) фосфор сильнее других примесей снижает электропроводность, но повышает жидкотекучесть при литье, на механические свойства оказывает полезное влияние.

Простые латуни. Латунями называют сплавы меди с цинком. Диаграмма Cu-Zn представлена в «Приложении». В практике нашли применение латуни с содержанием цинка до 50 %. Сплавы содержащие до 38 % цинка относятся к однофазным (α-структура), 38..46 % - к двухфазным (структура α+β), 46..50 % - к однофазным (β´-структура).

Сплавы структурного класса α и α+β обрабатывают давлением как в холодном (до 5 % β´ в структуре), так и в горячем состоянии, сплавы β - только в горячем. При этом важную роль играет балл зерна. Более мелкое зерно дает лучшие пластические свойства, что особенно важно при волочении, прокатке, штамповке. Получение мелкозернистой структуры зависит от температуры и времени отжига, степени ХПД. У α-латуней после ХПД и длительного вылёживания развивается «сезонное» растрескивание (причины: внутренние напряжения и влияние влажной атмосферы с парами аммиака). Отжиг для снятия напряжений 300 ^оС в течение 2 часов и поверхностные покрытия позволяют снизить опасность «сезонной болезни».

При обработке давлением в районе температур 300-650 ^оС наблюдается провал пластичности, связанный с присутствием примесей в латуни.

Легированные латуни. В качестве специальных добавок в латуни вводят:

а) железо - выделяется в виде включений, тормозящих рекристаллизацию, а, следовательно, способствующих измельчению зерна. В сочетании с Mn, Ni, Al оказывает ещё более благоприятное действие, т.к. образует интерметаллидные фазы внедрения. В присутствии кремния влияет отрицательно, т.к. образует хрупкие фазы;

б) кремний - находясь в твердом растворе, повышает литейные, механические и антикоррозионные свойства, а так же улучшает свариваемость;

в) марганец - растворяется в латуни в больших количествах, поэтому в малых количествах не оказывает особого влияния, а прибавленный в больших количествах - повышает прочность;

г) никель - находясь в твердом растворе, повышает механические, физические, технологические и антикоррозионные свойства. В присутствии алюминия образует интерметаллиды и способствует дисперсионному упрочнению;

д) свинец - улучшает обрабатываемость резанием, механические свойства меняются незначительно: несколько снижается пластичность, но измельчается зерно. В структуре наблюдается в виде отдельных черных точек практически чистого свинца, т.к. в меди не растворим;

е) алюминий - вводят в латунь не более 4 %. Сильно повышает прочность, но резко снижает пластичность. В присутствии меди образует дисперсную интерметаллидную фазу;

ж) олово - сильно повышает антикоррозионные свойства, мало изменяя механические свойства. С повышением содержания цинка, растворимость олова снижается и повышается хрупкость в холодном состоянии.

Некоторые марки специальных латуней приведены в табл. П.1 «Приложения».

Области применения меди и ее сплавов. Области применения меди очень разнообразны. Чистая медь и малолегированные сплавы с высокой электропроводностью широко используют в электротехнике. Большое количество меди расходуется на провода высоковольтных линий электропередач и воздушных линий связи. Из медных сплавов делают коллекторные шины для электромашин, токоподводящие шины и другие изделия высокой электропроводности.

Высокая теплопроводность меди обусловила ее применение в теплообменниках различного рода, конструкциях печей для дуговой плавки активных металлов (титан, цирконий, тугоплавкие металлы). Измеди делают водоохлаждаемые изложницы, поддоны, кристаллизаторы которые обеспечивают интенсивный отвод тепла от расплава.

Высокотехнологичные латуни применяют для получения изделий, требующих глубокой вытяжки: гильзы, патроны, стаканы снарядов. Из этих же латуней изготавливают радиаторные и конденсаторные трубки, сильфоны, гибкие шланги, трубы, ленты.

Многие латуни, имеющие красивый золотистый блеск, хорошо воспринимающие эмалировку и золочение используют для медалей, знаков отличия, фурнитуры и художественных изделий.

Из латуней, легированных свинцом, изготавливают детали, работающие в условиях трения. Их используют, в часовом производстве, автотракторной промышленности, типографском деле.

Многокомпонентные, или специальные латуни используют в судостроении, электромашиностроении, теплотехнике, т.к. они обладают высокими прочностными свойствами и коррозионной стойкостью.

Практическая часть

Рассмотреть под микроскопом предложенную коллекцию шлифов. Зарисовать и определить какие структурные составляющие находятся в структуре, используя различные режимы работы микроскопа (в том числе, поляризованный свет).

Расчетная часть. Определение кажущегося содержания цинка и количества структурных составляющих в легированной латуни.

Теоретические пояснения к расчету. Введение в латунь легирующих элементов (кроме никеля) равноценно увеличению в них содержания цинка. Металлофизик Гийе рассчитал коэффициенты (табл. 1.1.) для вычисления в специальных латунях «кажущегося содержания цинка, при котором структура сложных сплавов идентична структуре двойных сплавов системы Cu-Zn.

Таблица 1.1.- Значения коэффициентов эквивалентности К_i

Легирующий элемент	Si	Al	Mg	Sn	Pb	Cd	Fe	Mn	Ni
Значение коэффициента Кi	10..12	4..6					0,9	0,5	-1,4

Расчет ведется по формуле: (1.1)

Где А - действительное содержание цинка, %

В - содержание меди, %

С_i - количество i -го легирующего элемента, %

К_i - коэффициент эквивалентности (по Гийе) (безразмерная величина).

Порядок выполнения расчета

а) Найдите в таблице 1.2 данные по Вашему варианту. Используя диаграмму состояния Сu-Zn (рис. П.1 в „Приложении”), определите доли структурных составляющих в простой латуни.

б) Зная количество вводимых в латунь легирующих элементов, определите по формуле (1.1) кажущееся содержание цинка. По диаграмме Сu-Zn определите в какую область попадает легированный сплав и доли структурных составляющих по правилу отрезков, внося поправку на содержание цинка X.

в) Определите, к какому классу относятся обе марки латуней простая и легированная (деформируемая, линейная, термоупрочняемая), охарактеризуйте их свойства. Опишите влияние примесей, а также влияние легирующих элементов в специальной латуни на технологические и рабочие свойства (используйте таблицу П.1 в разделе «Приложения» и справочную литературу).

Таблица 1.2.- Исходные данные для расчета

№ вар-та	Марка простой латуни	Количество легирующего элемента замещающего цинк, %	№ вар-та	Марка простой латуни	Количество легирующего элемента замещающего цинк, %

I	Л63	5% Ni; 1% Аl; 0,7% Fe		Л58	4 % Ni
	Л68	0,3% Sn; 0,3% Pb; 1% Si		Л68	1 % Ni; 1,5% Al
	Л59	1 % Fe; 1 % Mn		Л69	3 % Mn
	Л59	1% Al; 1% Ni; 1% Fe		Л69	1,5 % Mn
	Л59	2%Al; 0,5% Ni; 0,3%Fe		Л69	0,5 % Pb; 1% Fe
	Л59	1 % Sn; 0,2 % Pb		Л69	6 % Al
	Л60	1,5 % Sn; 1,5 % Ni		Л69	0,5 % Al; 6 % Si
	Л60	3 % Pb; 3,3 % Ni		Л70	4 % Al; 4 % Mn
	Л58	2,5 % Рв; 5 % Ni.		Л70	3 % Ni; 4 % Al
Ι0	Л68	0,8 % Sn; 0,5 % Pb		Л70	6 % Si; 1 % Al
II	Л68	3,5%Si; 2,5%Al; 1%Mn		Л70	4 % Si; 0,5 % Al
	Л68	2 % Si; 1 % Al		Л63	2 % Si; 2 % Al
ІЗ	Л68	0,5 % Sn

г) Напишите марку легированной латуни с учетом ее технологического назначения. С учетом свойств определите предполагаемые области применения легированного сплава.

По данным работы сделайте вывод о влиянии легирования на механические и специальные свойства латуней.

Контрольные вопросы

1. Какие вы знаете марки технической меди? Сколько в них примесей?

2. Какие примеси находятся в меди и как они влияют на различные характеристики материала?

3. Что такое водородная болезнь меди, когда она проявляется?

4. Что такое латунь? Как классифицируются латуни по составу и структуре? Принципы маркировки технических сплавов меди и латуней.

5. Что такое «провал пластичности»?

6. Что такое «сезонная» болезнь? Как можно предотвратить ее проявление?

7. Какой термообработке подвергают латуни и с какой целью?

8. С какой целью определяется кажущееся содержание цинка в специальных латунях?

9. Каким образом от легирования зависят литейные свойства и способность деформироваться? Эксплуатационные свойства?

10. Ликвация в латунях. Обратная ликвация цинка. Как связаны ширина интервала кристаллизации с литейными свойствами сплава?

11. Назовите основные области применения простых и легированных латуней.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. - М.: «МИСиС», 1999.- 416 с.

2. Смирягин А.П., Смирягина Н.А. Промышленные цветные металлы и сплавы.- М.: Металлургия, 1974. - 488 с.

3. Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1970. – 189 с.

4. Туркин В.Д. Структура и свойства цветных металлов и сплавов. - М.: Метиздат. - 1947.

5. Борисова Е.А., Бочвар Г. А. и др. Металлография титановых сплавов.- М.: Металлургия, 1980.- 464 с.

Альтман М.Б, Амбарцумян С.М., Аристова З.Н. и др. Промышленные алюминиевые сплавы: справочник. - М.: Металлургия, 1984.- 528 с.