Изучение структуры и свойств цветных сплавов

Цель работы

1.1. Изучить макроструктуры цветных сплавов на основе алюминия, меди                 и титана.

1.2. Установить связь между структурой и свойствами изучаемых сплавов.

Содержание работы

2.1. Ознакомление с методическими указаниями к лабораторной работе и

поставленной задачей.

2.2. Проведение металлографических исследований.

2.3. Изучение свойств исследуемых цветных сплавов.

2.4. Установление зависимости между структурой и свойствами.

Порядок выполнения работы

3.1. Для выполнения данной лабораторной работы студентам предоставляется:

шесть шлифов цветных: сплавов: силумин немодифицированный; силумин

модифицированный; латунь; оловянистая бронза; свинцовая бронза; титановый сплав; микроскоп МИМ-7.

3.2. Ознакомиться с содержанием настоящих методических указаний, обратив

особое внимание на микроструктуры и свойства изучаемых цветных сплавов.

3.3. Студенты разбиваются на группы по два человека, садятся за столы, на

которых установлены микроскопы.

3.4. Включить в сеть понижающий трансформатор и поворотом ручки на трансформаторе по часовой стрелке на один щелчок включить освещение микроскопа.

3.5. Установить на предметный столик микроскопа один из шлифов изучаемых сплавов и произвести регулировку на четкость изображения структуры.

3.6. Зарисовать в тетради для лабораторных работ схемы изучаемых структур.

Обозначить отдельные составляющие.

3.7. После окончания работы микроскоп и трансформатор выключить. Шлифы

сложить в коробочку и сдать лаборанту.

3.8. Правильность зарисовки макроструктур проверить у преподавателя.

3.9. Пользуясь методическими указаниями к лабораторной работе, выписать             в отчет основные свойства изучаемых сплавов. Проанализировать зависимость между структурой и свойствами.

 

Техника безопасности

4.1. Подключение трансформатора и микроскопа к сети производится студентами только с разрешения преподавателя или лаборанта.

4.2. В случае обнаружения каких-либо неисправностей в розетке, вилке, подводящих проводах необходимо обратиться к лаборанту.

Отчет по работе

Письменный отчет о работе должен включать:

5.1. Наименование и цель работы.

5.2. Схемы изучаемых микроструктур сплавов на основе алюминия, меди, титана.

5.3. Основные графики и схемы, приведенные в методических указаниях.

5.4. Основные свойства изучаемых сплавов.

5.5. Анализ зависимости между структурой и свойствами изучаемых сплавов.

      5.6. Вывод.

Работу выполнил:

                       ст.-т___________гр._____________

Работу принял:

                                 _____________________________

Цветные металлы и сплавы

Все металлы могут быть разделены на две большие группы:

Черные металлы, которые имеют темно-серый цвет, большую удельную плотность, высокую температуру плавления, относительно высокую твердость и во многих случаях обладают полиморфизмом. Наиболее типичным металлом этой группы является железо. К этой же группе относят кобальт, никель, марганец, а также тугоплавкие металлы, урановые металлы, редкоземельные и щелочноземельные металлы.

Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную; желтую; белую. Они обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления; для них характерно отсутствие полиморфизма.

Цветные металлы подразделяются на следующие группы:

  1. Легкие металлы - бериллий, магний, алюминий, обладающие малой удельной плотностью.

  2. Легкоплавкие металлы - цинк, олово, свинец, кадмий, висмут и др.

  3. Благородные металлы - серебро, золото, металлы платиновой группы. К ним же относится полублагородная медь. Обладают высокой устойчивостью против коррозии.

В данной лабораторной работе рассматриваются важнейшие технические материалы на базе цветных металлов. Такими материалами являются алюминиевые, медные и титановые сплавы.

 

А люминий и его сплавы

Алюминий - легкий металл с удельной плотностью 2,7 Мг/м³. Кристаллическая решетка ГЦК. Температура плавления 657 ⁰С. Алюминий хорошо проводит тепло и электричество. Химически активен, но образующаяся плотная пленка Al₂O₃ предохраняет его от коррозии. Механические свойства отожженного алюминия технической чистоты (АДМ): уb = 80 МПа; уТ = 30 МПа; д = 35 %. Технический алюминий (АД и АД1) не применяется как конструкционный материал из-за низкой прочности. Однако высокая пластичность, коррозионная стойкость и электропроводность позволяют использовать его для получения деталей глубокой штамповкой и тончайших фольг, в качестве проводникового материала, а также в быту для транспортировки и хранения продуктов питания.

Частый алюминий имеет низкие механические свойства, плохую обрабатываемость резанием, неудовлетворительные литейные качества (большую усадку затвердевания – до 6 %). В связи с этим большое применение находят сплавы на основе алюминия, в которых добавление различных элементов позволяет при сохранении достоинств алюминия получить другие более высокие свойства.

Технические алюминиевые сплавы подразделяют на две группы: применяемые в деформированном виде (прессованном, катаном, кованом) и в литом. Границу между сплавами этих двух групп определяет предел насыщения твердого раствора при эвтектической температуре (рис.10.1).

Изменение технологических свойств в сопоставлении с диаграммой состояния

показывает, что сплавы с содержанием легирующего компонента меньше предела растворимости обладают наибольшей пластичностью и наименьшей прочностью при высокой температуре, следовательно, хорошо подвергаются горячей обработке давлением.

Наилучшую жидкотекучесть, меньшую пластичность и большую прочность имеют сплавы, содержащие эвтектику. Такие сплавы используются как литейные. Содержание эвтектики в литейных сплавах не должно превышать 15-20 %по объему из – за ухудшения механических и некоторых технологических свойств.

Деформируемые сплавы подразделяют на упрочняемые и не упрочняемые

термической обработкой. Границей между этими сплавами является предел насыщения твердого раствора при комнатной температуре.

 

1- деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой;

2 - деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой

Рисунок 10.1 – Классификация алюминиевых сплавов по диаграмме состояния и технологическим свойствам

К деформируемым, неупрочняемым термической обработкой сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем (АМц) и алюминия с магнием (АМг). Эти сплавы обладают высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью. Они не упрочняются термической обработкой. Упрочнение таких сплавов достигается за счет образования твердых растворов Мп и Мg в Al.Поставляются в виде листового проката, а также прессованного материала.

К деформируемым, упрочняемым термической обработкой относятся сплавы

нормальной прочности, высокопрочные и другие. Типичные представители сплавов - дуралюмины (маркируют буквой Д). Они характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности и относятся к сплавам системы Аl – Си – Мg,в которые дополнительно вводят марганец, повышающий коррозионную стойкость и улучшающий механические свойства. Перечисленные компоненты образуют ряд растворимых соединений, вызывающих старение, таких как СиАl₂, Mg₂Si, и др.

Структура дуралюмина в отожженном состоянии состоит из твердого раствора и вторичных включений указанных интерметаллических соединений.

Термическая обработка этих сплавов заключается в закалке с 500 ⁰С в воде с

последующим естественным (в течение 5 – 7 дней) или искусственным старением, которым предшествует 2 – 3 часовой инкубационный период. В течение этого времени сплав сохраняет высокую пластичность.

Так как коррозионная стойкость дуралюмина невысокая, то для защиты от коррозии его покрывают (плакируют) чистым алюминием.

Дуралюмины находят широкое применение в авиастроении, автомобилестроении, вагоностроении, строительстве. Прочность таких сплавов может достигать 500 – 600 Мпа при относительном удлинении 8 – 12 %.

В настоящей работе более подробно изучаются литейные алюминиевые сплавы – силумины (ГОСТ 2685 – 75). Под группой алюминиевых сплавов, называемых силуминами, подразумевают сплавы с большим содержанием кремния. Эти сплавы обладают высокой жидкотекучестъю, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами (особенно после модифицирования). Причем оптимальными литейными свойствами обладают сплавы с минимальной температурой плавления и минимальным температурным интервалом кристаллизации, содержащие 12 – 13 %Si (рис. 10.2).

 

Рисунок 10.2 – Диаграмма состояния Al – Si

 

Обычный силумин по структуре является заэвтектическим сплавом. Структура

такого сплава состоит из игольчатой грубой эвтектики (б+Si) и первичных кристаллов кремния (рис. 10.3а). Кремний при кристаллизации эвтектики выделяется в виде грубых хрупких кристаллов игольчатой формы, которые играют роль внутренних надрезов. Такой сплав обладает низкими механическими свойствами.

Для повышения механических свойств силумины модифицируют натрием (0,05 – 0,08 %) путем присадки к расплаву смеси солей 67 %NaF и 33 % NaCl.В присутствии натрия происходит смещение линии диаграммы состояния (рис.2) и заэвтектический сплав (12 – 13 % Si) становится доэвтектическим, так как эвтектика теперь образуется при 14 % Si. В этом случае в структуре сплава вместо избыточного кремния появляются кристаллы пластичного б – раствора кремния в алюминии         (рис. 3). Эвтектика приобретает более тонкое строение и состоит из мелких кристаллов кремния и б – твердого раствора. В процессе затвердевания кристаллы кремния обволакиваются пленкой силицида натрия (NaSi), которая затрудняет их рост.

Изменения в структуре приводят к повышению механических свойств. Одновременно улучшаются и литейные свойства сплавов (возрастает жидкотекучесть, повышается плотность отливок и т.д.).

Литейные алюминиевые сплавы маркируются буквами АЛ: А – означает, что сплав алюминиевый, Л – литейный; цифра после буквенного обозначения – порядковый номер в ГОСТе. Например, в сплаве АЛ – 2 кроме алюминия содержится 10 – 13 %Si; 0,8 – 1,5 Fe и 2,2 – 2,8 %других элементов. Существует и другая система маркировки литейных алюминиевых сплавов (ГОСТ 1583 – 73 Е), подобная маркировке легированных сталей, в которой указывается буквами легирующий элемент (К – кремний, М – медь, Н – никель, Ц – цинк), а цифрами – их содержание. Например, АК21М2,5Н2,5 алюминиевый сплав, содержащий 20 – 22 %Si; 2,2 – 3,0 % Cu; 2,2 – 3,8 % Ni.

А - до модифицирования (заэвтектический сплав);

б - после модифицирования (доэвтектический сплав)

Рисунок 10.3 – Микроструктура силумина

 

Силумины широко применяются во всех областях машиностроения. Их используют для изготовления картеров и блоков двигателей, корпусов компрессоров, деталей авиационных двигателей, корпусов приборов и др.

М едь и ее сплавы

Медь – это металл с удельной плотностью 8,94 Мг/м³. Кристаллическая решетка ГЦК. Температура плавления 1083 ⁰С. Характерными свойствами меди является ее высокая теплопроводность и электропроводность (с = 0,0178 Ом.мм²/м), поэтому медь находит широкое применение в электротехнике. Технически чистая медь маркируется М00 (99,99 %Сu), М0 (99,95 %Сu), M1 (99,95 %Сu) и т.д.

Механические свойства меди относительно низки. Так, в литом состоянии предел прочности 150 – 200 МПа, коэффициент растяжения 15 – 25 %. Поэтому применять медь в качестве конструкционного материала нецелесообразно. Повышение механических свойств достигается созданием разных сплавов на медной основе.

Различают две группы медных сплавов: латуни и бронзы.

Л атуни (ГОСТ 15527-70)

Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк. Практическое применение имеют медные сплавы с содержанием цинка до 45 %. Диаграмма состояния Cu – Z n приведена на рис. 10.4.

Медь с цинком образует б-твердый раствор цинка в меди с максимальной растворимостью цинка 39 %, а также фазы в, г, е,которые являются твердыми растворами на базе электронных соединений: в  –  CuZn, г  –  Cu₅ Zn; е  – CuZn₃.

Рисунок 10.4 – Диаграмма состояния Cu – Zn

 

В зависимости от содержания цинка различают однофазные α – латуни и двухфазные α+β – латуни.

Однофазные латуни (до 39 % Zn) находят применение для изготовления деталей деформированием в холодном состояния, так как они имеют хорошую пластичность (рис.10.3). Из них изготовливаются ленты, радиаторные трубки, проволока, гильзы патронов.

Двухфазные  латуни, содержащие цинка от 39 до 45 %, используются для

изготовления деталей деформированием при температуре выше 500 ⁰С, так как эти латуни имеют низкую пластичность в холодном состоянии (рис. 10.5).

Из двухфазных  латуней изготавливают листы, прутки и другие заготовки, из которых последующей механической обработкой получают детали.

При содержании цинка более 45 %в латуни присутствует твердый раствор. Данные латуни обладают максимальной прочностью (420 МПа), но практического

применения не находят ввиду очень низкой пластичности (д = 7 %).

Увеличение содержания цинка повышает прочность (до 45 % Zn ) и пластичность (до 37 %Zn) – рис. 10.5, удешевляет латуни, улучшает их обрабатываемость резанием, способность прирабатываться и противостоять износу. Вместе с тем, уменьшается теплопроводность и электропроводность, которые составляют 20 – 50 %от характеристики меди.

Латуни маркируются буквой Л и последующим числом, показывающим содержание меди в процентах, например, в сплаве Л62 имеется 62 % Сu и 38 % Zп.При наличии других элементов после буквы Л ставятся буквы, являющиеся начальной буквой элементов (О – олово, А – алюминий, К – кремний, С – свинец, Н – никель, Мц – марганец, Ж – железо).

Количество этих элементов обозначается цифрами.

Рисунок 10.5 – Влияние цинка на механические свойства меди

 

Присутствующие в латуни элементы повышают твердость и снижают пластичность латуней, особенно однофазных. Двухфазные латуни нередко легируют Аl, Fe, Ni, Si, Мn,Рbи другими элементами. Такие латуни называют специальными илимногокомпонентными. Так, свинец облегчает обрабатываемость резанием и улучшает антифрикционныесвойства (ЛC 59 – 1). Алюминий повышает прочность, твердость и коррозионную стойкостьлатуни (ЛA 77 – 2). Кремний улучшает жидкотекучесть, свариваемость и способность кдеформация (ЛК 80 – 3).

Никель повышает растворимость цинка в меди и улучшает механические свойства (ЛН 65 – 5). Олово повышает сопротивление коррозии в морской воде           (ЛО 70 – 1 – морская латунь).

Все латуни по технологическому признаку подразделяются на деформируемые, из которых изготавливают листы, ленту, трубы, проволоку (ЛАЖ 60 – 1 – 1, ЛЖМц  59 – 1 – 1, ЛC – 59 – 1) и литейные для фасонного литья (ЛК 80 – ЗЛ, ЛАЖМц 66 – 6 – 3-2, ЛКС 80-3-3), из которых изготавливают детали в судостроении и общем машиностроении.

На рис. 10.3.6 приведена микроструктура латуни ЛC 59 – 1. Эта латунь содержит 59 % Си, 1 % Рb и 40 % Zn. В соответствии с содержанием цинка латунь ЛC 59 – 1 относится кдвухфазным. Она содержат в структуре б – твердый раствор и в/ – твердый раствор иназывается автоматной латунью, так как хорошо обрабатывается резанием, чемуспособствует присутствующий свинец. Существует и другая маркировка, используемая для литейныхлатуней. В соответствии с ГОСТ 17711 – 80 литейные латуни обозначаются подобнолегированным сталям, где количество каждого легирующего элемента приводитсянепосредственно после его буквенного обозначения. Например, латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2содержит 23 % Zn, 6 % Al; 3 %Fe, 2 % Mnи остальное медь.

Рисунок 10.6. – Микроструктура латуни ЛC 59 – 1

Б ронзы

Бронзами называют сплавы меди с различными элементами, в числе которых, но только наряду с другими, может быть и цинк. Название бронзам дают по основным элементам. Так, их подразделяют на оловянные, свинцовые, алюминиевые, кремнистые, бериллиевые и др.

Бронзы маркируются буквами Бр (бронза), за которыми следуют буквы, а затем цифры, обозначающие название и содержание в процентах легирующих элементов.

Например, Бр.О4Ц2С2,5 содержит 4 % Sn, 2 % Zn, 2,5 % Рb. Сплавы меди с никелем имеют названия: мельхиоры; куниали; нейзильберы.

 

11. О ловянистые бронзы (гост 5017 – 49 и гост 613 – 65)

При сплавлении меди с оловом образуются твердые растворы и соединения аналогично тому, как это имело место в сплавах Cu – Zn. На рис. 10.7 приведена левая часть диаграммы состояния Cu – Sn. В твердом состояний в бронзах имеются фазы: α-твердый раствор олова в меди; β – твердый раствор на базе соединения CuSn, соединение Сu31Sn8, ε  – твердый раствор на базе химического соединения Си₃ Sп.  

Система Cu – Snимеет ряд перетектических превращений и два эвтектойдных

превращения. При 350 ⁰С δ – фаза (Сu31Sn8) должна распадаться на α – твердый раствор и ε – фазу(Си3Sп). Сплавы, более богатые оловом,очень хрупки (Рис. 10.8). Бронзы, содержащие до 4 – 5 % Sn,и после деформаций и отжигаимеют в структуре в основном б-твердый раствор олова в меда. А после литья даже такиенизколегированные бронзы в результате ликвации могут иметь включения эвтектоидаα+Сu31Sn8).

 

Рисунок 10.7 – Диаграмма состояния Си – Sn

 

При большем содержаний олова в структуре бронз в равновесном состояния наряду с α-твердым раствором присутствует эвтектод α+Cu31Sn8. При этом с увеличением количества олова предел прочности возрастает. Но значительное количество хрупкого соединения Сu31Sn8 приводит к снижению прочности при большом содержания олова.

Оловянистые бронзы обычно легируют Zn, Fe, Р, Рb, Niи другими элементами. Цинк улучшает технологические свойства и удешевляет бронзу. Фосфор улучшает литейные качества, повышает твердость, прочность, упругие и антифрикционные свойства. Никель повышает механические свойства, коррозионную стойкость и плотность отливок. Железо измельчает зерно, но ухудшает технологические свойства. Свинец снижает механические свойства, но повышает плотность отливок, улучшает обрабатываемость резанием и антифрикционные свойства.

 

Рисунок 10.8 – Влияние олова на механические свойства меди.

 

Различают деформируемые (БрО6,5Ф0,15; БрО4Ц3; БрО4Ц4С2,5) и литейные бронзы (БрО3Ц7С5Н1, БрО3Ц12С5, БрО5Ц5С5, БрО10). Из деформируемых бронз изготавливают прутки, трубки, ленту, проволоку. Литейные бронзы применяют, главным образом, для изготовления пароводяной аппаратуры и для отливок антифрикционных деталей типа втулок, венцов, червячных колес, вкладышей подшипников скольжения.

На рис. 10.9 приведена микроструктура оловянистой бронзы Бр О10.

Рисунок 10.9. – Микроструктура бронзы Бр О10

 

Эта бронза содержит α -твердый раствор и включение твердого эвтектоида (α+Сu31Sn8), обеспечивающего высокую стойкость против истирания. Поэтому такая бронза с 10 % Snявляется лучшим антифрикционным материалом и применяется как подшипниковые сплавы.

 

12. С винцовые бронзы (ГОСТ 4748 – 70)

Свинец не растворяется в меди, поэтому сплавы после кристаллизации состоят из кристаллов меди и включений свинца. Последние располагаются по границам зерен (рис.10.10) или заполняют междендритные пространства. Такая структура бронзы обеспечивает высокие антифрикционные свойства. Это предопределяет широкое применение свинцовистых бронз для изготовления вкладышей подшипников скольжения, работающих с большими скоростями и при повышенных давлениях. По сравнению с оловянистыми бронзами теплопроводность бронзы Бр С30 в 4 раза больше, поэтому она хорошо отводит теплоту, возникающую при трении.

 

Рисунок 10.10 – Микроструктура свинцовой бронзы Бр С30

Из – за невысоких механических свойств бронзу Бр C30 наплавляют тонким слоем на стальные ленты (трубы). Вследствие большой разницы в удельной плотности меди (8,94 Мг/м³) и свинца (11,34 Мг/м³) и широкого интервала кристаллизации бронза Бр С30 склонна к ликвации (неоднородности химического состава) по плотности. Уменьшить ликвацию можно высокой скоростью охлаждения отливок. Нередко свинцовые бронзы легируют никелем и оловом, которые, растворяясь в меди, повышают механические свойства. Например, Бр О10С10, Бр О10С2Н3.

14. Контрольные вопросы

14.1. Какие сплавы относятся к цветным и какие сплавы на их основе получали наибольшее применение в народном хозяйстве?

14.2.  Алюминий, его свойства и применение.

14.3.  Классификация алюминиевых сплавов.

14.4.  Термическая обработка алюминиевых сплавов.

14.5.  Силумин; состав; структура; свойства и применение.

14.6.  Процесс модифицирования силумина и его цель.

14.7. Медь, ее свойства и применение.

14.8.  Латуни: состав; структура; маркировка; свойства и применение.

14.9.  Бронзы; состав; структура; маркировка.

14.10. Влияние легирующих элементов на свойства бронз.

14.11. Оловянистые бронзы; состав; структура; маркировка; свойства и применение.

14.12. Свинцовые бронзы; состав; структура; маркировка; свойства и применение.

Список рекомендуемой литературы

15.1.    Гуляев А.П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1986. – 647 с.

15.2.  Колачев Б.А., Габибулин P.M., Пигузов Ю.В. Технология термической обработки цветных металлов и сплавов. – М.: Металлургия, 1980. – 279 с.

15.3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1980. – 493 с.

15.4.   Мозберг Р.К. Материаловедение. – Таллин, Вагус, 1976. – 554 с.

15.5. Материаловедение. Под ред. Б.Н.Арзамасова. – М.: Машиностроение,              1986. – 383 с.

     15.6. Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и          сплавов. – М.: Металлургия, 1970. – 367 с.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ