Медь и её сплавы

ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ТЯЖЕЛЫХ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Методические указания к учебно-исследовательской лабораторной работе по курсам: «Материаловедение», «Материаловедение и технология конструкционных материалов» для студентов машиностроительных и механических специальностей всех форм обучения

Одобрено радакционно - издательским советом Саратовского государственного технического университета

Саратов 2001

Лабораторная работа 2

ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ТЯЖЕЛЫХ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ.

Цель работы. Изучить микроструктуры латуки, брон­зы и баббитов, а также влияние содержания цинка на механичес­кие свойства латуни.

Основные понятия.

Большое число применяемых в технике цветных сплавов, разно образце их свойств и специфичность структуры исключают возмож­ность подробного изучения их в рамках одной работы. В связи с этим в данной работе рассматриваются только мель и ее сплавы, а также подшипниковые сплавы, а основе олова, свинца и другие, имеющие широкое применение в специальном к общем машинострое­нии.

Медь и её сплавы

Медь обладает рядом ценных свойств: высокой электропровод костью, теплопроводностью, пластичностью, достаточно высокой коррозионной стойкостью.

Удельный вес меди 8,9 г/см³. Температура плавления 1033°С Механические свойства отожженной меди δ_в = 25-26 кгс/мм², δ= 40- 30%.

Медь маркируется буквой М и далее следует цифра: 1,2,5,4. Чем выше цифра, тем больше содержание примесей в меди. Многие примеси даже в ничтожных количествах (сотые доля про­цента) резко снижают электропроводность меди и ухудшают деформируемость. Поэтому для изготовления проводников тока применяют медь высокой чистоты например, марка МОО, где меди содержится 99,99%.

В промышленности широкое применение нашли сплавы на ос­нове меди- латуни и бронзы.

Латунями называют сплавы меди с цинком,

Диаграмма состояния Си Zn приведена на рис. I.

Медь с цинком образуют ряд твердых растворов: α, γ и другие. Наибольшее значение имеют α и β - фаза, составляющие структуру латуней. Практическое применение имеют сплавы, содержащие до 45 - 47% цинка.

Как следует из диаграммы состояния, латуни бывают однофазные - до 39% и двухфазные от 47% Zn.

Структура однофазной латуни - α - твердый раствор цинка в решетке меди. После холодной пластической деформа­ции и рекристаллизационного отжига - латунь имеет одно­родную структуру с характерными двойниками. После травления, вследствие анизотропии кристаллов, зерна проявляются в раз­личной цветовой окраске. (рис.2,а). Латунь однофазная пластична как в горячем состоянии, так и в холодном.

Структура двухфазных латуней включает зерна твердых растворов α и β (рис. 2,б).

Последняя фаза является тоже твердым раствором, но уже на базе решетки химического соединения электронного типа.

СuZn - Выше 454°С эта фаза - неупорядоченный твер­дый раствор с высокой пластичностью, её принято называть β. При 454 °С происходит процесс упорядочения твердого раствора и ниже 454°С этот упорядоченный твердый раствор обозначается β’. β’ - фаза в отличие от β - фазы являет­ся твердой и хрупкой.

Изменение механических свойств меди от содержания цин­ка показано на рис. 1,б. В области α твердого раствора прочность и пластичность δ растут. При появлении в структуре β - кристаллов пластичность падает, а прочность продолжает возрастать примерно до 45% цинка. При большем со­держании цинка структура сплава состоит только из β1 - фазы и прочность сильно уменьшается.

Маркируются латуни буквой Л и последующим числом, пока­зывающим содержание меди в процентах. Например, в сплаве Л62 имеется 62% Си к 38% Zn. Если, помимо меди и цинка, имеются другие элементы, то для обозначения их после буквы Л ставятся буквы, являющиеся начальной буквой названия эле­ментов (0 - олово, С - свинец, I - железо и т.д.) Коли­чество этих элементов обозначается соответствующими цифрами. Например, сплав ЛАЖ 60-1-1 содержит 60% Сu 1% Ae 1% Fe 38% Zn.

Для придания желаемых физико-механических свойств в латуни добавляют свинец, олово, железо, алюминия, никель и другие. Такие латуни называют специальными.

Свинец улучшает антифрикционные свойства и обраба­тываемость резанием двухфазных латуней - "автоматная латунь".

Олово повышает сопротивление коррозии в морской во­де - "морская латунь".

Железо, алюминий, никель повышают ме­ханические свойства.

Латуни являются хорошим материалом для конструкций, рабо­тающих при отрицательных температурах. Например, латунь ЛС59-1 при - 78°С имеет δв - 49,3кг/мм²; при - 256°С δв - 68 кг/мм² при относительном удлиненииоколо 30%.

Бронзами называют сплавы меди со всеми элементами (кроме цинка). В зависимости от элемента, введенного в сплав, бронзы называются: оловянистыми, свинцовистыми, алю­миниевыми, бериллиевыми и т.л.

Бронзыобладают высокой коррозионной устойчивостью и

хорошей обрабатываемостью резанием. Многие из них обладают хорошими литейными свойствами, а также имеют высокие анти­фрикционные свойства.

Маркируются бронзы следующим образом: индекс "Бр" указы­вает на материал - "бронза", следующие буквы указывают на наличие легирующих элементов, цифры указывают соответствующее их количество в сплаве. Например, бронза Бр0Ф10-1 имеет сле­дующий химический состав: Sn = 10%, P =1%, остальное -Си.

Оловянястые бронзы вследствие дефицит­ности олова имеют ограниченное применение. Однако изучение их представляет большой интерес, так как они являются старей­шими сплавами, применяемыми человеком, и, кроме того, не зная свойств оловянистых бронз, нельзя судить об их заменителях.

В основе изучения оловянистых бронз лежит диаграмма CuSn (рис.3). Фаза α представляет твердый раствор олова в меди с ГЦК решеткой. В сплавах этой системы образуются электронные соединения типа: β - фаза (Сu5Sn), δ –Фаза (Cu₃Sn), а также γ - фаза - твердый раствор на базе хими­ческого соединения, природа которого установлена.

В практике применяют только сплавы с содержанием до 10-12% Sn.

Сплавы, более богатые оловом, очень хрупки.

Бронзы, содержащие до 4-5% Sn после деформации и отжига имеют полиэдрическое строение (риc.4 а) и представляют собой d - твердый раствор.

При большем содержании олова в структуре в равновесном состоянии с α - раствором присутствует эвтектоид α + Сu31Sn8(рис. 4,б). Изменение механических свойств литых бронз в зависимости от содержания олова показано на рис. 3,б. Предел прочности возрастает с увеличением содержания олова. При вы­сокой концентрации олова вследствие присутствия в структуре значительного количества эвтектоида, содержащего хрупкое соединение Cu3Sn предел прочности резко снижается.

Заменителем оловянистых бронз является алюминиевая брон­за. В промышленности применяют­ся однофазные и двухфазные алюминиевые бронзы. Диаграмма состояния представлена на рис. 5.

Рис. 4. Микроструктура оловянистых бронз:

а) однофазных после отжига б)двухфазных

Рис.5

Алюминиевые бронзы используются в машиностроении для мелких де­талей: шестерни, втулки, фланцы и т.д.

Положительными особенностями алюминиевых бронз по срав­нению с оловянистыми являются: большая плотность отливок, бо­лее высокая прочность и жаропрочность, меньшая склонность к хладноломкости.

Основные недостатки алюминиевых бронз: значительная усад­ка, сильное газопоглощение жидкого расплава, недостаточная коррозионная стойкость в перегретом паре.

Для устранения этих недостатков сплавы дополнительно легируют - Ft, PS.

Кpeмнистые бронзы применяют как заменители оловянистых бронз.

Свинцовистые бронзы используют как высококачественный антифрикционный материал.

Бериллиевые бронзы являются высококачественным пружинным материалом.