 ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ
| Классификация алюминиевых сплавов 12
МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ МЕДНЫХ СПЛАВОВ ЦЕЛЬ РАБОТЫ Получить практический навык микроанализа основных групп медных сплавов – латуней и бронз. Изучить их микроструктуру, свойства, маркировку и область применения. ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ Микроскоп металлографический. Коллекция микрошлифов однофазных и двухфазных латуней и бронз. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ Медь Медь – это пластичный металл светло-розового цвета, плавится при 1083 °С, имеет плотность 8,96 г/см3 обладает гранецентрированной кубической решеткой. Отличительная особенность меди – ее малое электросопротивление, высокая теплопроводность, хорошая коррозионная стойкость во многих естественных средах (атмосфера, земля, морская и пресная вода). Последнее свойство объясняется как химической стойкостью самой меди (по электрохимическому потенциалу медь положительнее водорода), так и устойчивостью образующихся продуктов коррозии. Предел прочности меди в отожженном состоянии составляет sb =250 МПа, относительное удлинение 50 %, относительное сужение 75 %. Для упрочнения меди используется наклеп. Путем наклепа можно довести sb до 450 МПа, но при этом пластичность понижается. Примеси оказывают существенное влияние на механические, технологические и физические свойства меди. Растворимые примеси (Al, Sn, Zn и др.) повышают механические свойства, но значительно снижают электро - и теплопроводность. Нерастворимые примеси (РЬ, Вi) образуют легкоплавкие эвтектики, которые затрудняют горячую обработку давлением из-за горячеломкости. Примеси (S,О) образуют тугоплавкие эвтектики, которые располагаются по границам зерен, что приводит к появлению хрупкости меди. Микроструктура литой меди полиэдрическая, зернистая (рис. 1a). Микроструктура холоднодеформированной меди, подвергнутой последующему рекристаллизационному отжигу, такая же, но с наличием двойников (рис. 1б). Химический состав меди и свойства нормированы ГОСТом 859-78. Медь поставляют в мягком (отожженном) и твердом состоянии. Она применяется для изготовления сплавов на медной основе, токопроводящих деталей, фольги и т.п. (табл. 1).
Рис. 1. Микроструктура меди (справа - схематическое изображение): а) литая;
Рис. 2а. Диаграмма состояния медь-цинк.
Рис. 2б. График изменения механических свойств латуней, в зависимости от содержания цинка: δ - относительной удлинение;
Латуни Латуни представляют собой двойные или многокомпонентные медные сплавы, в которых цинк является основным легирующим компонентом. Цинк способен растворяться в меди в твердом состоянии до 39 % (рис. 2а). Твердый раствор Zn в Си имеет кристаллическую решетку меди и называется a -фазой. При содержании цинка, превышающем 39 %, наряду с a -фазой образуется b -фаза, представляющая собой твердый раствор на базе химического соединения. Количество b -фазы зависит от того, насколько содержание цинка превышает его предел растворимости в меди (39 %). Поэтому латуни, содержащие цинк до 39 %, имеют структуру, состоящую из зерен a -фазы и называются однофазными. Латуни с содержанием цинка более, 39 %, но менее 46 % имеют структуру, состоящую из зерен а и b -фазы и относятся к двухфазным.| Микроструктура литой однофазной латуни имеет дендритное строение (рис. 3а). Эта же латунь после холодной обработки давлением и рекристаллизационного отжига, имеет зернистую структуру с наличием двойников (рис. 3б).
Рис. 3. Микроструктура однофазной латуни (справа - схематическое изображение): а) литая; б) деформированная и отожженная.
Микроструктура литой двухфазной a + b - латуни состоит из светлых зерен a -фазы и темных зерен b -фазы. В деформированной и отожженной a + b –латуни на зернах a -фазы имеются ее двойники (рис. 4). Таким образом, латуни, содержащие от 39 до 46 %Zn, имеют двухфазную структуру a + b и обладают низкой пластичностью, поэтому они хорошо обрабатываются давлением лишь в горячем состоянии, в отличие от a -латуни ,которая хорошо обрабатывается в холодном состоянии. По технологическому признаку латуни подразделяют на литейные и обрабатываемые давлением. Физические и механические свойствалатуней, обрабатываемых давлением, нормируются ГОСТом 15527-70. Двойные латуни маркируются буквой Л и числом, характеризующим среднее содержание меди в сплаве (табл. 2). Для повышения прочности, коррозионной стойкости и некоторых специальных свойств разработаны специальные многокомпонентные латуни. Состав сложных латуней отражается в ее марке, где большие буквы А, H, Мц, К, О, Ж обозначают соответственно алюминий, никель, марганец, кремний, олово, железо, а цифры, следующие после содержания меди, показывают процентное содержание данного металла в сплаве. Олово существенно снижает обесцинкование латуней при работе в пресной и морской воде, поэтому оловянные латуни иногда называют "морскими" (ЛО90-1, ЛО62-1).
Рис. 4. Микроструктура двухфазной латуни (справа – схематическое изображение): а) литая; б) после деформации и отжига Марганец улучшает стойкость латуней в морской атмосфере(ЛМц58-2). Кремний резко упрочняет латуни, также повышает коррозионную стойкость (ЛК80-3). Более сложные по составу латуни содержат совместно алюминий (до 2 %), железо, никель, марганец, кремний (по 1–3 %). Отличительная особенность этих сплавов еще более высокая прочность и стойкость в различных средах. К этой группе сплавов относится латунь ЛЖМц59-1-1. Для улучшения обработки резанием (точение, сверление и пр.) в некоторые двойные латуни вводят свинец (ЛС59-1). Он не растворяется в меди и в структуре распределен в виде отдельных включений. При обработке резанием латуни, в структуре которой имеются мелкие равномерно распределенные включения свинца, получается сыпучая, а не витая стружка. Это не только облегчает процесс обработки резанием, но и позволяет получать чистую без заусенцев отработанную поверхность. В табл. 3 приведены примеры специальных латуней, обрабатываемых давлением. Они широко применяются в судостроении в качестве антифрикционных материалов и для деталей судовой арматуры. Литейные латуни нормируются по ГОСТ 17711-93, они содержат те же элементы, что и латуни, обрабатываемые давлением, от последних литейные латуни отличает, как правило, большее легирование цинком и другими металлами. Вследствие малого интервала кристаллизации литейные латуни обладают хорошими литейными характеристиками. В марке литейной латуни указывается содержание цинка. Например: ЛЦ40С – литейная латунь, содержащая 40 %Zn и 1 %Pb. В таблице 4 указаны состав и область применения сплавов этой группы. Бронзы Бронзами называют сплавы меди, в которых цинк и никель не являются основными легирующими элементами. Название бронзам дают по названию основного легирующего элемента, например, оловянная, алюминиевая и т.п. Отдельные бронзы в качестве легирующего компонента содержат цинк, но он не является основным. Но фазовому составу бронзы делят на однофазные и двухфазные. Однофазные бронзы состоят из зерен твердого раствора легирующих элементов в меди, называемого a - фазой. По технологическому признаку бронзы, как и латуни, делят на 2 группы: литейные и деформируемые. Литая однофазная бронза имеет структуру неоднородного твердого раствора, т.е. дендритную структуру. Дендриты любого сплава всегда обогащены более тугоплавким компонентом, а междендритные объемы – более легкоплавким. Схемы микроструктуры литой и деформированной однофазных бронз аналогичны соответствующим схемам латуни (рис. 3). В двухфазных бронзах наряду с a -фазой присутствуют кристаллы более твердого химического соединения той или иной природы, которые могут присутствовать в структуре либо в виде отдельных кристаллов, либо являться составной частью эвтектоида. Например микроструктура литой двухфазной бронзы БрА10 состоит из следующих структурных составляющих – светлых участков a -фазы (это твердый раствор алюминия в меди) и темных участков эвтектоидной смеси a -фазы и химического соединения (рис. 5).
Рис. 5. Микроструктура литой двухфазной бронзы (справа – схематическое изображение) Оловянные бронзы – это сплавы меди с оловом, которые могут содержать, добавки фосфора, свинца, цинка, никеля и других легирующих элементов. Обладая достаточной прочностью, они имеют высокую коррозионную стойкость (особенно в морской воде), хорошие антифрикционные свойства низкий коэффициент трения, высокое сопротивление износу. Небольшие добавки фосфора (0,1 – 0,4 %) в оловянные бронзы вводят с целью их раскисления. Добавки цинка улучшают литейные свойства (вследствие уменьшения интервала кристаллизации), а добавки свинца –антифрикционные свойства. Алюминиевые бронзы содержат обычно добавки марганца, железа, никеля, свинца. Марганец улучшает коррозионную стойкость, никель и железо прочностные свойства, свинец – антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием алюминиевых бронз. Помимо оловянных и алюминиевых бронз в судовых механизмах применяются кремнистые и бериллиевые бронзы. Последние близки к алюминиевым бронзам по значению свойств и технологическим характеристикам. В табл. 6 указаны области применения бронз, обрабатываемых давлением. Большинство литейных оловянных бронз применяется для изготовления ответственных отливок. Отливки из алюминиевых бронз обычно получают литьем в кокиль или песчаные формы. Обратите внимание на особенность маркировки литейных бронз (табл. 7). СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 1. Название 2. Цель работы. 3. График изменения механических свойств латуней (рис. 2б). 4. Схемы микроструктуры заданных латуней. Их химический состав, механические свойства, применение. 5.Схемы микроструктуры заданных бронз в литом состоянии. Их химический состав и применение. 6. Выводы. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1.Чем объясняется хорошая коррозионная стойкость меди в естественных средах? 2. Каким образом упрочняют медь? 3. Сопоставьте свойства меди в наклепанном и отожженном состоянии. 4. Какие примеси практически не растворяются в меди? 5. Есть ли отличие в микроструктуре литой и деформированной, подвергнутой последующему рекристаллизационному отжигу меди? 6. Медь какой марки (МО или М4) имеет больше примесей? 7. Что такое латунь? 8. Как влияет цинк на свойства однофазных латуней? 9. Какие латуни называются однофазными? 10.Чем отличаются технологические свойства однофазных и двухфазных латуней? 11. В каком состоянии латунь или бронза имеет дендритное строение? 12. Как маркируют деформируемые латуни? 13. Как маркируют литейные латуни? 14. Какие латуни относят к многокомпонентным, специальным? 15. Что такое бронза? 16. Дайте характеристику свойств оловянных бронз. 17. Есть ли отличие в маркировке литейных и деформируемых бронз? 18. Как классифицируют бронзы по фазовому составу? 19. Как классифицируют бронзы по химическому составу? 20. Как классифицируют бронзы по технологическому признаку? 21. Где применяется бронза? 22. Где применяются латуни? 23. Какой сплав прочнее (Л90 и Л80)?
Таблица 1
Таблица 2 Двойные деформируемые латуни, применяемые в судостроении: марки, назначение ГОСТ 15527–70
Таблица 3 Деформируемые латуни ГОСТ 15527 –70
Таблица 4 Литейные латуни ГОСТ 17711–93
Таблица 5
Таблица 6 Примеры применения бронз, обрабатываемых давлением
Таблица 7 Химический состав литейных бронз ГОСТ613-79
МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучить микроструктуру литых и деформируемых алюминиевых сплавов. Научиться самостоятельно проводить микроанализ этих материалов. ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ Металлографические микроскопы, коллекция микрошлифов алюминиевых сплавов. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ Алюминий Среди металлов алюминий по распространенности в природе занимает первое место, по практическому использованию – второе (после железа). Алюминий – химический элемент, находящийся в третьей группе периодической системы Д.И. Менделеева. Атомный номер алюминия 13, атомная масса 26,98, температура плавления 660 °С, плотность 2,7 г/см3, полиморфных превращений не имеет, обладает решеткой гранецентрированного куба с периодом а = 0,4041 нм. Алюминий отличается от других металлов малой плотностью, высокими пластическими и коррозионностойкими свойствами, высокими тепло- и электропроводимостью, а также отражательной способностью. Благодаря таким свойствам алюминий находит применение почти во всех отраслях промышленности – авиационной, строительной, химической и т.д. В зависимости от содержания примесей алюминий разделяют на сорта: технический, высокой чистоты и особой чистоты. В таблице 1 приведены некоторые марки, химический состав алюминия деформируемого (предназначенного для производства полуфабрикатов методом горячей или холодной деформации). На алюминий первичный, поставляемый в форме чушек, слитков распространяется стандарт ГОСТ 11069-74, примеры обозначения марок которого приведены в таблице 2. Постоянные примеси алюминия – Fe, Si, Cu, Zn, Ti, они ухудшают все его свойства. Механические свойства алюминия зависят от его чистоты и состояния. Увеличение содержания примесей и пластическая деформация повышают прочность и твердость алюминия (табл. 3). Алюминий характеризуется высокими технологическими свойствами. Из него могут быть изготовлены любые полуфабрикаты различных габаритов. Благодаря высокой пластичности полуфабрикаты из алюминия легко можно подвергать деформации без существенных нагревов. Сварка может осуществляться практически всеми методами, включая сварку плавлением. Обрабатываемость резанием вследствие высокой вязкости у алюминия плохая. Он используется в электротехнической промышленности и теплообменниках. Высокая отражательная способность алюминия используется для производства зеркал, мощных рефлекторов. Алюминий практически не взаимодействует с азотной кислотой, органическими кислотами и пищевыми продуктами. Из него изготавливается тара для транспортировки пищевых продуктов, домашняя утварь. Листовой алюминий широко применяется как упаковочный материал. Значительно выросло применение алюминия в строительстве и на транспорте. Классификация алюминиевых сплавов В зависимости от способа производства промышленные алюминиевые сплавы делятся на спеченные, литейные и деформируемые (рис. 1). Литейные сплавы претерпевают эвтектическое превращение, а деформируемые – нет. Последние в свою очередь бывают термически неупрочняемыми (сплавы в которых нет фазовых превращений в твердом состоянии) и деформируемые, термически упрочняемые (сплавы, упрочняемые закалкой и старением). Алюминиевые сплавы обычно легируют Сu, Mg, Si, Мn, Zn, реже Li, Ni, Ti. 12 |
