Лабораторная работа 1. «изучение структуры и свойств сплавов на основе цветных металлов»

Лабораторная работа 1. «ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ»

Цель работы: Изучить микроструктуры различных металлов и сплавов, познакомиться с термической обработкой, свойствами и применением этих сплавов.

Бщие сведения

Цветные сплавы являются более дорогими и дефицитными, чем черные. Однако благодаря их особым физическим, технологическим и эксплуатационным свойствам они нашли достаточно широкое применение. В настоящей работе рассматриваются металлы и сплавы, имеющие наибольшее значение: медь и ее сплавы, легкие сплавы на основе алюминия, магния и титана, а также подшипниковые сплавы.

 

Медь и сплавы на ее основе

Медь – металл красновато-розового цвета. Температура плавления 1083^оС. Кристаллическая решетка – гранецентрированная кубическая с периодом 0,36153 нм. Плотность меди высокая – 8,94 г/см³. Медь характеризуют высокие тепло- и электропроводность; хорошо сопротивляется коррозии в обычных атмосферных условиях, в пресной и морской воде и других агрессивных средах, но имеет плохую устойчивость в сернистых газах и аммиаке, растворяется в кислотах-растворителях. Марки технической меди - М00, М0, М0б, М1б, М1, М1р. М2. М2р. М3, М3р (б – бескислородная, р – раскисленная). Содержание примесей - от 0,01 до 0,5%.Наиболее вредными примесями, вызывающими горячеломкость (красноломкость) меди и ее сплавов, являются свинец (допустимое содержание 0,04%) и особенно висмут (допустимое содержание 0,001%), который вызывает также и хладноломкость. Механические свойства меди зависят от ее чистоты и состояния. Для отожженной меди предел прочности при растяжении примерно 220 МПа, относительное удлинение 40-50%. Применяют медь благодаря ее токо- и теплопроводящим свойствам в электротехнике (проводники, шины, коллекторы) как материал для теплообменников, водоохлаждаемых изложниц, кристаллизаторов, поддонов.

Структура деформированной и отожженной технически чистой меди – полиэдрические зерна с двойниковыми образованиями.

 

Медные сплавы

Различают следующие группы сплавов на основе меди: латуни (сплавы. где основным легирующим элементом является цинк), бронзы (сплавы с различными другими элементами) и медно-никелевые сплавы, которые в данной работе не рассматриваются.

Маркируют сплавы в соответствии с их химическим составом. Легирующие элементы обозначают русскими буквами: О – олово, Ц – цинк, Мц – марганец, Ж – железо. Ф – фосфор, Б – бериллий, А – алюминий, Н – никель, С – свинец, Х – хром и т.д.

Цифры обозначают количество соответствующих элементов в процентах. Если сплав деформируемый, то после букв Л (латунь) или Бр (бронза) перечисляют элементы, а затем соответственно их количество (ЛАН 59-3-2, БрАЖ 9-4), причем в латунях первая цифра отражает содержание меди, количество цинка определяется по остатку. В литейных сплавах буквы, обозначающие добавки, и цифры содержания чередуются (ЛЦ40С, БрА11Ж6Н6).

Медные сплавы отличаются высокими механическими и технологическими свойствами, хорошо сопротивляются износу и коррозии.

 

Латуни

Латуни называют простыми, или двойными, если в них входят только медь и цинк, и сложными, или легированными (многокомпонентными), если в них введены другие элементы.

Структура латуней описывается диаграммой состояния Cu-Zn. При комнатных температурах до 39% цинка растворяется в меди, образуя фазу α - твердый раствор замещения цинка в меди. При большем содержании цинка появляется фаза β‘ – упорядоченный твердый раствор на основе электронного соединения CuZn с объемноцентрированной кубической решеткой. Эта фаза является твердой и хрупкой составляющей. В промышленном масштабе применяют только однофазные α - латуни и двухфазные (α+β)-латуни (содержащие цинка не более 45%), поэтому другие соединения меди с цинком не упоминаются. С увеличением содержания цинка прочность латуней увеличивается, особенно у двухфазных латуней, пластичность же возрастает до концентрации цинка 30-32%, а затем резко уменьшается. В связи с этим однофазные латуни легко деформируются как в горячем, так и в холодном состояниях; двухфазные латуни обычно подвергают только горячей обработке давлением.

Легирующие элементы сообщают латуням более высокие свойства. Алюминий существенно повышает прочность, особенно в сочетании с никелем, марганцем, железом, кремнием; никель улучшает технологические свойства и коррозионную стойкость, олово тормозит коррозию в морской воде, свинец улучшает обрабатываемость резанием, железо измельчает зерно и наряду с небольшим количеством марганца увеличивает пластичность.

В современной технике применят как деформируемые, так и литейные латуни, из которых получают плотные, лишенные ликвации отливки с высокими механическими свойствами, однако при литье существуют определенные трудности из-за возникновения крупных усадочных раковин.

Основной вид термической обработки латуней – отжиг для смягчения материала перед дальнейшей обработкой давлением, для получения в готовых полуфабрикатах нужных свойств, а также для устранения склонности к сезонному растрескиванию, которому подвержены латуни. Латунь ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5 – единственный известный дисперсионно твердеющий сплав, эффективно упрочняющийся в результате закалки и старения или НТМО. Прочность латуней можно повысить нагартовкой, но при этом снижается пластичность сплава.

Примерный состав и свойства некоторых латуней можно найти в табл.1.

Микроструктура деформированной и отожженной однофазной латуни представляет полиэдрические зерна α-твердого раствора с двойниковыми образованиями; из-за явления оптической анизотропии зерна могут быть неодинаково окрашены. В структуре двухфазной латуни наблюдаем светлые зерна фазы α - твердого раствора на темном фоне β‘- фазы – упорядоченного твердого раствора на базе соединения CuZn.

Из простых однофазных латуней изготавливают проволоку, ленты, листы, трубы, фурнитуру, что требует больших степеней деформации при производстве даже без нагревания. В частности, латунь Л96 применяют для изготовления радиаторных и конденсаторных трубок. Из простых двухфазных латуней (Л59) заготовки производят только способом горячей деформации (листы, прутки, трубы, штамповки). Специальные латуни применят для изготовления широкого ряда ответственных деталей с высокими свойствами, в том числе антифрикционными, в морском, химическом машиностроении, для теплотехнической аппаратура, крепежных изделий и арматуры, зубчатых колес, втулок и т.д.

Бронзы

В настоящее время применяемые в промышленности бронзы весьма многообразны, в данной работе будут рассмотрены только некоторые группы.

 

Оловянные бронзы

Это традиционные сплавы, которые из-за высокой стоимости и дефицитности олова часто заменяют так называемыми безоловянными бронзами. Наибольшее практическое значение имеют бронзы, содержащие не более 20% олова. Диаграмма состояния медь-олово достаточно сложна, указывает на существование в зависимости от состава и температуры весьма разнообразных фаз и структурных составляющих. Однако структура сплавов, полученных в реальных производственных условиях, очень отличается от равновесной. До 5-6% олова в сплавах существует однофазный раствор замещения олова в меди (α-фаза). При большем содержании олова в структуре появляется эвтектоид (α+δ), где δ-фаза – электронное соединение Cu₃₁Sn₈ со сложной кубической решеткой. Он имеет высокую твердость и хрупкость, его появление в сплаве вызывает резкое снижение пластичности и вязкости, повышает твердость и износостойкость. В микроструктуре двухфазных бронз эвтектоид выглядит в виде темных образований по границам светлых зерен твердого раствора. Широкий интервал кристаллизации обуславливает у оловянных бронз большую склонность к дендритной ликвации, низкую жидкотекучесть, рассеянную усадочную пористость и поэтому невысокую герметичность отливок. Для улучшения свойств, в том числе технологических, а также для уменьшения стоимости бронзы легируют. Цинк растворяется в меди, улучшает литейные свойства бронз, удешевляет их. Свинец повышает антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием. Фосфор, являясь раскислителем бронз, улучшает их жидкотекучесть, твердость, упругие и антифрикционные свойства, при этом ухудшает технологическую пластичность. Он образует фосфид меди Cu₃P. Никель способствует измельчению структуры, повышению механических свойств, коррозионной стойкости, плотности отливок и уменьшению ликвации. Оловянные бронзы превосходят медь и латуни по коррозионной стойкости, особенно в морской воде.

Основными видами термической обработки являются гомогенизация и промежуточный отжиг, направленные на облегчение обработки давлением.

Примерный состав и свойства не которых бронз приведены в табл.1.

Деформируемые бронзы (БрОФ6,5-0,15) применяют для изготовления упругих элементов (мембран, пружин), сеток в аппаратостроении. Бронзы с повышенным содержанием олова (литейные), особенно с добавками фосфора, используют для изготовления подшипников скольжения, подпятников кранов, шестерен, червячных винтов и других деталей, работающих на трение.

 

Алюминиевые бронзы

Алюминиевые бронзы получили наибольшее распространение как более дешевые заменители оловянных; имеют более высокие прочностные свойства, чем латуни и оловянные бронзы.

Структура алюминиевых бронз соответствует диаграмме состояния системы медь-алюминий. При комнатной температуре в меди может раствориться примерно 9% алюминия, однако в реальных сплавах из-за ликвации предельная концентрация фазы α-твердого раствора замещения алюминия в меди снижается до 8% и даже менее. При большем содержании алюминия в сплавах появляется эвтектоид (α + γ₂), который получается в результате распада высокотемпературной фазы β. В результате этого прочность сплавов повышается, а пластичность начинает падать. Оптимальные механические свойства имеют сплавы, содержащие 5 – 8% алюминия. Узкий интервал кристаллизации определяет лучшую жидкотекучесть, меньшую склонность к ликвации, большую плотность отливок, но значительную усадку при кристаллизации и ряд других недостатков по сравнению с оловянными бронзами. Для улучшения свойств сплавы легируют. Железо повышает прочностные свойства бронз, как и марганец, который одновременно повышает и пластичность, увеличивая способность к холодной обработке давлением и позволяя проводить ее для сплавов с содержанием алюминия более 7%. Никель повышает механические свойства, коррозионную стойкость и жаропрочность бронз, делает возможным проведение упрочняющей термической обработки по режиму закалка с последующим старением. Одни алюминиевые бронзы применяют только как деформируемые (БрА5, БрАЖМц10-3-1,5), другие - только как литейные (БрАЖН11-6-6), третьи - и как деформируемые, и как литейные сплавы (БрА9Мц2Л). Деформируемые полуфабрикаты применяют в состоянии поставки, после дорекристаллизационного (для повышения упругих свойств) и рекристаллизационного отжигов. Термически упрочняемой является бронза БрАЖН10-4-4 (закалка от 980^оС и старение при 400^оС), эта бронза сохраняет удовлетворительную прочность до температур 400-500^оС. Примерный состав и свойства некоторых бронз приведены в табл. 1.

 

 

Таблица 1

Примерный химический состав и механические свойства некоторых латуней и бронз

 

Марка сплава	Содержание легирующих элементов, %	Предел прочности при растяжении σв, МПа	Относительное удлинение δ, %
Л96	4 Zn, 96 Cu
Л59	41 Zn, 59 Cu
БрА5	5 Al, остальное Cu
БрА10	10Al, остальное Сu
БрАЖМц10-3-1,5	10 Al, 3 Fe, 1,5 Mn, остальное Cu
БрБ2 (после закалки и старения)	2 Be, остальное Cu	1150-1250	4-6
БрОФ6,5-0,15	6,5 Sn, 0,15 P, остальное Cu
БрС30	30 Pb. остальное Cu

 

Наиболее пластичная и наименее прочная – бронза БрА5. Ее применяют для изготовления пружин, мембран, сильфонов, деталей, работающих в морской воде, разменной монеты. Бронзу БрА10 применяют для фасонных отливок, прессованных изделий. Бронзы с большим (от 9%) содержанием алюминия и добавками железа, никеля, марганца кроме твердого раствора имеют в структуре включения эвтектоида (до 35%) и железосодежащей фазы FeAl₃, потому обладают повышенными прочностью и антифрикционностью. Из них изготавливают ответственные детали: шестерни, втулки, зубчатые колеса, седла клапанов, подшипники и т.д.

 

Бериллиевые бронзы

Отличаются уникальным сочетанием свойств: высокими пределами упругости и прочности, высокой тепло- и электропроводностью, коррозионной стойкостью в сочетании с повышенным сопротивлением усталости, ползучести и изнашиванию. Ценным свойством является отсутствие искры при ударе. Основным недостатком этих бронз является их высокая стоимость.

Бериллий обладает уменьшающейся растворимостью в меди при понижении температуры (от 2,7 до 0,2% при комнатной температуре). В структуре бронзы БрБ2 при комнатной температуре в отожженном состоянии присутствует твердый раствор замещения бериллия в меди α и включения γ - фазы на основе интерметаллида CuBe. Эта бронза эффективно упрочняется термической обработкой. После закалки с температур 750-790^оС (соответствующих однофазной области) в воде структура бериллиевых бронз представлена пересыщенным твердым раствором, что позволяет легко деформировать ее без нагревания. Последующее старение при 320-340^оС в течение 2-5 ч вызывает распад пересыщенного раствора закалки и формированию дисперсных включений γ‘-фазы, что приводит к повышению прочности. Еще большее упрочнение достигается в результате применения режима НТМО. Легирование бронз никелем (0,2-0,5%) и титаном (0,1-0,25%) позволяет снизить содержание дефицитного дорогого бериллия до 1,7-1,9% без заметного снижения механических свойств (БрБНТ 1,7, БрБНТ 1,9). Примерные составы и свойства некоторых бронз в термически упрочненном состоянии приведены в табл.1.

Из бериллиевых бронз применяют детали особо ответственного назначения: упругие элементы точных приборов, детали, работающие на износ (кулачки, шестерни, червячные колеса), подшипники, работающие при повышенных скоростях, давлениях и температурах, инструмент, не дающий искры.

Свинцовые бронзы

Свинцовые бронзы имеют наилучшие антифрикционные свойства и самую высокую теплопроводность из всех сплавов на основе меди, поэтому их широко применяют для изготовления высоконагруженных подшипников скольжения, работающих при высоких скоростях (в авиационных двигателях, дизелях, мощных турбинах). Наибольшее применение нашли бронзы с содержанием свинца 25-30%. Медь и свинец в твердом состоянии образуют эвтектику, структура сплава состоит из кристаллов меди и включений свинца, которые располагаются по границам зерен или заполняют междендритные пространства. Прочность и твердость свинцовых бронз невысока (см. табл.1), поэтому их наплавляют на стальные трубы или ленты и уже из них изготавливают подшипники.

 

Алюминий и его сплавы

Алюминий

Алюминий – металл серебристо-белого цвета, имеет температуру плавления 660^оС. Кристаллическая решетка – гранецентрированный куб с периодом 0,40412 при комнатной температуре. Плотность 2,7 г/см³, что позволяет отнести его к легким металлам.

Алюминий имеет высокую тепло- и электропроводность, уступая серебру, меди и золоту; хорошо полируется. На поверхности металла находится оксидная пленка, защищающая его от действия влажной атмосферы и многих органических и минеральных кислот-окислителей. В щелочных средах быстро растворяется. Производится алюминий особой чистоты А999, высокой чистоты А995, А99, А97, А95 и технической чистоты А85, А8,А7,А6,А5,А0 (количество примесей возрастает соответственно от 0,001 до 1%). Наиболее вредной примесью является железо, образующее соединение FeAl₃, которое выделяется в виде игл и резко снижает пластичность и коррозионную стойкость алюминия. При наличии кремния могут образовываться в зависимости от состава два тройных соединения α(Fe-Al-Si) и β(Fe-Al-Si), имеющие высокую хрупкость и снижающие пластичность. Технический алюминий в отожженном состоянии имеет прочность 70-80 МПа, относительное удлинение около 35%. Алюминий применяется для ненагруженных деталей и элементов конструкций, когда от материала требуется легкость, свариваемость, пластичность, коррозионная стойкость (рамы, двери, трубопроводы, фольга, цистерны, посуда). Он применяется для производства теплообменников, в электротехнике - для конденсаторов, проводов, кабелей, шин, для производства рефлекторов и т.д.

 

Алюминиевые сплавы

К преимуществам большинства промышленных алюминиевых сплавов можно отнести невысокую плотность (до 2,85 г/см³), высокую удельную прочность, хорошую коррозионную стойкость, тепло- и электропроводность. В качестве основных легирующих элементов в алюминиевых сплавах применяют медь, магний, кремний, марганец, цинк, реже литий, никель, титан, бериллий, цирконий, железо и др. Большинство легирующих элементов образуют с алюминием ограниченные твердые растворы замещения с переменной растворимостью, а также промежуточные фазы с алюминием и между собой – двойные, тройные и многокомпонентные интерметаллиды.

В зависимости от способа производства заготовок принято делить сплавы на деформируемые, литейные и спеченные, которые строго говоря являются разновидностью деформируемых. Сплавы могут быть не упрочняемыми и упрочняемыми термообработкой. Существует более подробное деление сплавов в соответствии с их свойствами (нормальной прочности, высокопрочные, жаропрочные, повышенной пластичности и коррозионной стойкости, антифрикционные и т.д.).

 

Литейные алюминиевые сплавы

Эти сплавы применяются для фасонного литья. Наиболее широко распространены сплавы силумины на основе системы Al-Si (простые и сложные), для которых характерны малые интервалы кристаллизации и очень хорошие литейные свойства. В качестве литейных применяют также сплавы на основе систем Al-Cu, Al-Mg и другие более сложные сплавы, которые по составу похожи на аналогичные деформируемые, но содержат несколько больше Cu, Mg, а также тугоплавкие добавки (титан, никель). Однако эти сплавы обладают худшими литейными свойствами, поэтому далее будут рассмотрены только силумины (см.табл.2). Маркировка литейных сплавов производится в соответствии с их химическим составом.

Таблица 2

Химический состав и механические свойства некоторых алюминиевых сплавов

 

Марка сплава	Содержание легирующих элементов, %	Состояние	Предел прочнос-ти при растяже-нии σв,МПа	Предел текучес- ти σт, МПа	Относи-тельное удлине- ние δ,%
АМг3	3,2-3,8 Мg, 0,3-0,6 Mn, 0,5-0,8 Si	Отожженное
Д16	3,8-4,8 Cu, 1,2-1,8 Mg, 0,3-0,9 Mn	Закаленное и состаренное
В95	1,4-2,0 Cu, 1,8-2,8 Mg, 0,2-0,6 Mn, 5/0-7/0 Zn	Закаленное и состаренное
АК12	10,0-13,0 Si	Литье в песчаную форму, модифицирование
АК9ч	8-10,5 Si, 0,15-0,3 Mg, 0,2-0/5 Mn	Закаленный и состаренный
АК21М2,5Н2.5	21 Si 2,6 Cu 2,5 Ni 0,35 Mg, 0,3 Mn 0,2 Ti 0,3 Cr	Литье в кокиль, отжиг		-	-

Силумины

Силумины подразделяют на двойные (простые) и специальные, в которых помимо кремния содержатся в небольшом количестве и другие легирующие элементы (медь, магний, марганец, никель). Структура простых силуминов определяется диаграммой состояния Al-Si. Кремний имеет переменную растворимость в алюминии (от 1,6 до 0,1% при комнатной температуре), при содержании кремния 14% формируется эвтектика, состоящая из α-фазы - твердого раствора кремния в алюминии и игольчатых кристаллов кремния - β-фазы. Она имеет грубое строение, что дает низкие значения прочности и пластичности сплавов (при содержании кремния 12% предел прочности примерно 80 МПа, относительное удлинение 2%). Улучшить свойства термической обработкой не удается, поскольку простые силумины относят к числу термически не упрочняемых сплавов. Для повышения свойств применяется модифицирование силуминов добавками натрия, лития, стронция. Часто вводят натрий в виде смеси солей 2/3 NaF + 1/3 NaCl в количестве примерно 2%, чтобы в расплаве оказалось необходимых 0,01% Na (иногда его количество увеличивают до 0,08%). Это приводит к резкому измельчению кристаллов эвтектического кремния, эвтектика становится мелкой, следствием чего является увеличение прочности и одновременно пластичности более чем в два раза. При этом понижается температура кристаллизации эвтектики более чем на 10^оС, и эвтектическая точка сдвигается в область меньших концентраций (11,6% кремния). Поэтому эвтектический до модифицирования силумин приобретает после модифицирования структуру доэвтектического сплава со светлыми кристаллами первичного твердого раствора на темном фоне дисперсной эвтектики. Применяют модифицирование для сплавов с содержанием кремния более 6%.

Маркируют силумины в соответствии со средним химическим составом (см. табл.2). Из дополнительных легирующих элементов в силуминах наибольшее значение имеют магний и медь, введение которых делает сплавы термически упрочняемыми. Магний образует фазу Mg₂Si, а при введении одновременно меди и магния могут существовать упрочняющие фазы S (Al₂CuMg) и др.

Эвтектический силумин АК12, не упрочняемый термообработкой, не образует усадочной пористости, его рекомендуют применять для герметичных деталей приборов и агрегатов невысокой нагруженности. Однако образование концентрированных усадочных раковин вызывает трудности при отливке крупных и сложных по конфигурации деталей..

Примером доэвтектического силумина является более прочный термоупрочняемый сплав АК9ч. Для него применяют закалку от 530^оС с выдержкой 2-6 ч и охлаждением в горячей воде и старение при 175^оС в течение 15 ч (этот режим термообработки характерен для большинства специальных силуминов). Применяют его для наиболее ответственных нагруженных крупногабаритных деталей, например, картеров двигателей внутреннего сгорания.

Высоколегированный заэвтектический силумин АК21М2,5Н2,5 относят к группе поршневых сплавов (для изготовления поршней цилиндров двигателей внутреннего сгорания). В структуре этих сплавов присутствуют кристаллы первичного кремния на фоне эвтектики. Эти сплавы, предназначенные для работы при повышенных температурах 250-270^оС, отличаются высокой жаропрочностью, износостойкостью и низким коэффициентом термического расширения.

Магний и его сплавы

Магний

Магний – металл с температурой плавления 650^оС, имеет гексагональную плотноупакованную решетку с соотношением c/a 1,6235. Плотность составляет 1,74 г/см³. Тепло- и электропроводность магния хуже, чем у алюминия. Поверхность магния покрыта толстой пленкой оксида, которая не обладает достаточными защитными свойствами. Магний легко растворяется в органических и разбавленных минеральных кислотах, корродирует в морской воде, устойчив в органических жидкостях (бензин и т.д.). В дисперсном состоянии может самовоспламеняться на воздухе. Наиболее вредные примеси – железо, медь, никель, снижающие коррозионную стойкость, а железо – и без того невысокую пластичность. Технический магний (марки Мг96, Мг95, Мг90) имеет в деформированном и отожженном состоянии предел прочность 180 МПа. относительное удлинение 15-17%. Как конструкционный материал в чистом виде не применяется.

Магниевые сплавы

Эти сплавы нашли применение в связи с малой плотность (менее 2 г/см³) и достаточно высокой удельной прочностью. Их делят на деформируемые (МА) и литейные (МЛ). Цифры в марке - условный порядковый номер. Легирующие элементы образуют с магнием твердые растворы ограниченной переменной концентрации и различные интерметаллиды. В сплавы невысокой и средней прочности входят алюминий, цинк, которые упрочняют раствор и делают возможной упрочняющую термообработку сплавов, а также марганец, устраняющий вредное влияние железа. Цирконий существенно (до 100 раз) измельчает зерно, поэтому присутствует в составе высокопрочных и жаропрочных сплавов. РЗМ и иттрий повышают жаропрочность сплавов. Могут дополнительно присутствовать литий, кадмий, серебро, индий, бериллий.

Магниевые сплавы подвергают гомогенизации при 400-490^оС в течение 10-24 ч, причем для деформируемых сплавов ее часто совмещают с их нагревом под обработку давлением, а высокопрочные сплавы закаливают от температур горячей деформации для сохранения эффекта наклепа. Рекристаллизационный отжиг проводят при 250-350^оС для устранения наклепа в деформированных заготовках. Особенности упрочняющей термической обработки магниевых сплавов объясняются малой скоростью диффузионных процессов в магнии. Выдержки при нагреве под закалку длительные (4-24 ч), охлаждение проводят на спокойном воздухе и иногда в кипящей воде. Старение применяют только искусственное (кроме сплавов с литием) продолжительностью 15-20 ч, в большинстве случаев выделяются сразу стабильные фазы (кроме сплавов с литием и неодимом). В сплавах с Al и Zn эффект упрочнения не превышает 30%, а в сплавах с Nd и Li - более существенный.

В табл. 3 приведены некоторые промышленные сплавы магния.

 

Таблица 3

Химический состав и механические свойства некоторых магниевых сплавов

 

Марка сплава	Химический состав,%	Состояние	Предел прочности при растяжении σв, МПа	Предел текучести σт, МПа	Относительное удлинение δ, %
МА14	5,0-6,0 Zn 0,3-0,9 Zr	Термоупрочненное, режим Т5	340-350	290-300	5-6
МЛ5	7,5-9,0 Al, 0,15-0,5 Mn, 0,2-0,8 Zn	Закаленное и состаренное
МЛ10	0,1-0,7 Zn, 0,4-1,0 Zr, 2,2-2,8 Nd	Закаленное и состаренное

 

Высокопрочный деформируемый сплав МА14 подвергают искусственному старению при 170^оС в течение 10-24 ч после охлаждения от температур горячей деформации (режим Т5). В структуре присутствуют дисперсные выделения фазы MgZn₂ на фоне α - твердого раствора на базе магния. Применяют этот сплав для изготовления высоконагруженных деталей, работающих до 250^оС.

Литейные магниевые сплавы по составам близки к деформируемым, уступая им по свойствам. Улучшение структуры и свойств достигается модифицированием, перегревом, повышением чистоты шихтовых материалов.

Широко применяется сплав МЛ5, в котором сочетаются высокие механические и технологические свойства. Для него применяют закалку на воздухе от температур гомогенизации 420^оС (12 - 14 ч) и последующее старение при 175^оС в течение 16 ч. Структура его состоит из твердого раствора легирующих элементов в магнии и выделений фазы Mg₄Al₃. Применяют его для изготовления нагруженных деталей, работающих, в том числе и в морской атмосфере (картеры, коробки передач, масленые насосы, тормозные барабаны, кронштейны, штурвалы).

Сплав МЛ10 отличается высокими свойствами при комнатной температуре, высокой жаропрочностью и технологическими свойствами. Он может длительно работать при температурах 250-350^оС, кратковременно до 400^оС. Для сплава применяют закалку на воздухе от 540^оС 8-12 ч и старение при 205^оС в течение 12-15 ч. В структуре сплава кроме твердого раствора на основе магния присутствуют дисперсные выделения упрочняющей фазы Mg₉Nd. Применяют этот сплав для изготовления нагруженных деталей различных конструкций, двигателей, от которых требуется повышенная герметичность и стабильность размеров при высоких температурах.

Титан

Титан – металл серого цвета, с температурой плавления 1668^оС, имеет при комнатной температуре плотность 4,5 г/см³. Известны две полиморфные (аллотропические) модификации титана: до 882,5^оС существует α -Ti c плотноупакованной гексагональной решеткой, а при более высоких температурах - β -Ti с объемноцентрированной кубической решеткой. Технически чистый титан производят марок ВТ1-00 (сумма примесей не более 0,1%) и ВТ1-0 (сумма примесей не более 0,3%). Предел прочности титана ВТ1-0 составляет 450-600 МПа, предел текучести 380-500 МПа, относительное удлинение 20-25%. Присутствие в составе титана и его сплавов примесей азота, кислорода, углерода и особенно водорода значительно снижает пластичность (присутствие водорода вызывает так называемую водородную хрупкость, поэтому его количество не должно превышать 0,002-0,008%), коррозионную стойкость и технологические свойства титана. Аналогичным образом, но в меньшей степени, влияют на свойства железо и кремний. Титан хладостоек, характеризуется отличной коррозионной стойкостью в органических и большинстве минеральных кислот, простой и морской воде, хорошо деформируется и сваривается. При нагревании активно поглощает газы, применяется в качестве геттерного материала.

Сплавы на основе титана

Титановые сплавы по сравнению с титаном обладают более высокой прочностью и жаропрочностью при достаточно хорошей пластичности, коррозионной стойкости и невысокой плотности (не более 5,1 г/см³). Легирующие элементы в титановых сплавах принято делить на три группы: α -стабилизаторы повышают температуру полиморфного превращения α -Ti в β -Ti, к ним относят алюминий; β –стабилизаторы понижают температуру полиморфного превращения. К этой группе относятся изоморфные элементы V, Mo, Ta, Nb и эвтектоидообразующие, в числе которых переходные металлы Fe, Mn, Cr. Последние оказывают наиболее эффективное упрочняющее действие. Эвтектоидный распад вызывает резкое охрупчивание сплавов, поэтому его стараются избегать. Нейтральные добавки (Sn, Zr, Hf, Th) мало влияют на температуру полиморфного превращения, улучшают свойства сплавов при нормальных и повышенных температурах. Алюминий присутствует во всех сплавах, поскольку не только упрочняет α-фазу и снижает плотность сплава, но и повышает термическую стабильность β-фазы. По структуре в равновесном состоянии различают α–сплавы; псевдо-α-сплавы; (α + β) –сплавы; β – сплавы; псевдоβ–сплавы (α -фаза – твердый раствор замещения легирующих элементов в α –Ti, β-фаза – твердый раствор замещения легирующих элементов в β -Ti). β –сплавы не нашли широкого распространения..

Титановые сплавы маркируют условным образом.

В промышленности широко применяются деформируемые титановые сплавы, а также литейные и порошковые, которые в большинстве являются аналогами деформируемых сплавов по составу.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с методическим руководством.

2. Исследовать под микроскопом микроструктуры сплавов цветных металлов из лабораторной коллекции, определить структурные составляющие, используя фотоальбом и текст методического указания.

3. Ознакомиться по справочным данным с термической обработкой, свойствами и применением этих сплавов.

4. Оформить отчет, в котором схематично изобразить и описать микроструктуру каждого из изученных сплавов, привести данные по их химическому составу, режимам упрочняющей термообработки, свойствам и применению.

Контрольные вопросы

1. Какие группы медных сплавов вы знаете?

2. Какие легирующие элементы вводят в латуни? С какой целью?

3. В чем достоинства и недостатки оловянных бронз?

4. Какие бронзы заменяют оловянные?

5. Какова упрочняющая термическая обработка бериллиевой бронзы?

6. Какие группы алюминиевых сплавов вы знаете? К каким системам они относятся?

7. Из чего состоит упрочняющая термообработка алюминиевых сплавов?

8. Какие из литейных алюминиевых сплавов обладают лучшими литейными свойствами?

9. С какой целью и чем модифицируют силумины?

10. Каковы особенности упрочняющей термической обработки магниевых сплавов?

11. Какие группы легирующих элементов существуют в магниевых сплавах? Какое влияние на свойства они оказывают?

12. Какие группы легирующих добавок в титановых сплавах вы знаете?

13. Какова термическая обработка титановых сплавов?

14. Какие группы промышленных сплавов на основе титана вы знаете?

15. Что такое баббиты?

16. Какими свойствами обладают баббиты?

17. Какие баббиты вы знаете?

Рекомендуемая литература

1. Арзамасов Б.Н., Макарова В.И., Мухин Г.Г., Рыжов Н.М., Силаева В.И. Материаловедение.– М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003. – 711 с.

2. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. – М.:МИСИС, 1999. – 415 с.

3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1990.-528 с.

4. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. – М.: Металлургия, 1989. -456 с.

5. Конструкционные материалы: Справочник / Под ред. Б.Н Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1990. – 688 с.

 

Общие положения

В современной технике разные детали работают в разных температурных интервалах: испарители, теплообменники и конденсаторы при 150-200°С; паровые котлы при 600-650°С; газовые турбины и реактивные двигатели при 700-900°С.

Исходя из условий работы деталей, материалы для их изготовления должны иметь: высокую окалиностойкость, высокую жаропрочность, высокий предел выносливости, наименьшее изменение формы при изменениях температуры, технологичность, так как нагрев ослабляет межатомные связи при высоких температурах, что ведет к уменьшению модуля упругости, временного сопротивления, твердости. Чем ниже температура основы материала, тем ниже его допустимые рабочие температуры. При длительном нагружении при высоких температурах поведение материала определяется диффузионными процессами. Для этих условий характерны процессы ползучести и релаксации напряжений.

Под жаростойкими (окалиностойкими) сталями и сплавами понимают стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550°С, работающие в ненагруженном и слабонагруженном состоянии.

Для повышения окалиностойкости сталь легируют элементами, обладающими большим сродством к кислороду, чем железо. В процессе окисления эти элементы образуют плотные окислы, располагающиеся на поверхности изделия тонкой пленкой, которая затрудняет процесс дальнейшего окисления. К таким элементам относятся хром, алюминий, кремний, образующие окислы в виде Cr O , Al O , SiO .

Аустенитные стали

Аустенитые стали (см. табл. 1,2) применяют для изготовления деталей газовых турбин, клапанов двигателей, баков, труб и других деталей, работающих при температурах 500-700°С. Жаропрочные стали легированы хромом, никелем и являются одновременно коррозионностойкими.

Аустенитные стали подразделяют на неупрочняемые при термической обработке (нестареющие) и упрочняемые при термической обработке (стареющие) аустенитные стали.

К нестареющим аустенитным жаропрочным сталям относят стали типа 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т.

Стареющие аустенитные стали обычно являются более сложнолегированными, например: 37Х12Н8Г8МФ5 (ЭИ481), 45Х14Н14В2М (ЭИ69) и т. п.

По способу упрочнения их подразделяют на аустенитные стали с карбидным упрочне