Lab
.pdf
|
|
|
|
Рисунок 14.2 – Диаграмма |
Рисунок 14.3 – Влияние цинка на |
||
состояния медь - цинк |
механические свойства латуни |
||
Система медь-цинк относится к случаю ограниченной растворимости компонентов в твёрдом состоянии. Сложная, на первый взгляд, диаграмма построена из пяти простых диаграмм третьего рода с перитектическим превращением. Компоненты образуют шесть различных твердых растворов электронного типа, указываемых в порядке увеличения содержания цинка α, β, γ, δ, ε и η - твердыми растворами, где:
α - фаза - твердый раствор цинка в меди с кристаллической решеткой меди ГЦК;
β - фаза - твердый упорядоченный раствор на основе электронного со-
единения CuZn (3/2);
γ - фаза - твердый с ОЦК решеткой раствор CuSZn8 (21/13); ε - фаза - твердый раствор CuZn3 (7/4).
Cтроение и свойства двойной латуни изменяются в зависимости от концентрации или процентного содержания цинка (рисунок 14.3).
При содержании цинка до 39 % в сплаве образуется твёрдый раствор цинка в меди: α - фаза, которая обладает хорошей пластичностью и увеличивается с повышением концентрации цинка. Максимальную пластичность сплав имеет при содержании цинка около 37 %.
При увеличении содержания цинка от 37 % до 45 % избыток его начинает реагировать с медью, образуя соединение CuZn. В результате в сплавах появляется новая β - фаза (примерно до 45 % цинка). При этом пластичность падает, а прочность возрастает. Образуется двухфазная структура α + β. Двухфазные α + β латуни имеют низкую пластичность и обрабатываются лишь в горячем состоянии.
При большем содержании цинка (свыше 45 %) полностью исчезает α - фаза и латунь становится опять однофазной, имея структуру β - твердого рас-
165
твора. Переход латуни в однофазное состояние вызывает резкое снижение прочности. В технике используются сплавы с содержанием цинка до 45 %.
По химическому составу латуни разделяют на двойные (простые), легированные только цинком, и многокомпонентные, которые помимо цинка содержат в качестве легирующих элементов алюминий (А), свинец (С), олово (О), никель (Н), железо (Ж), марганец (Мц) и другие элементы.
Легирующие элементы многокомпонентных латуней придают им специальные свойства. Установлено, что количество цинка, соответствующее 1 % вводимого элемента, называют коэффициентом эквивалентности или коэффициентом замены. 1 % Si ≈ 11 % Zn; 1 % А1 ≈ 5 % Zn; 1 % Sn ≈ 2 % Zn; 1 % Fe ≈ 0,9 % Zn; 1 % Ni ≈ (-1,3 % Zn).
По технологическому признаку латуни подразделяют на деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные.
Литейные латуни обладают хорошими литейными свойствами, малой склонностью к ликвации, хорошей жидкотекучестью и др. Микроструктура латуни Л62 показана на рисунке 14.4.
Однородные зёрна α - твёрдого раствора, видны двойники
Рисунок 14.4 - Микроструктура α - латуни Л62 после холодной пластической деформации и отжига при 500 °С
Светлые зёрна - α фаза, тёмное поле β - фаза
Рисунок 14.5 – Микроструктура α + β - латуни (типа Л69)
166
Деформируемые латуни, в зависимости от структуры, подразделяются на однофазные (α - латуни) и двухфазные (α + β´ - латуни).
Структура α - латуни похожа на структуру меди, а структура α + β' - латуней состоит из светлой составляющей α - фазы и темной β - фазы.
Двойные деформируемые латуни маркируют буквой Л и цифрой, показывающей среднее содержание меди в процентах: Л96, Л90, Л85, Л69. На рисунке 14.5 показана микроструктура латуни Л69.
Для обозначения многокомпонентных латуней, обрабатываемых давлением, за буквой Л ставятся другие буквы, указывающие на наличие легирующих элементов и цифры, указывающие на количественное содержание меди и легирующих элементов. Например, латунь марки ЛА77-2 имеет следующий состав: 77 % меди, 2 % алюминия, остальное - цинк.
Литейные латуни (ЛЦ40С, ЛЦЗОАЗ, ЛЦ40АЖ) содержат те же элементы, что и латуни, обрабатываемые давлением; от последних литейные латуни отличает, как правило, большее легирование цинком и другими элементами.
В марках литейных латуней указывается содержание цинка, а количество каждого легирующего элемента ставится непосредственно за буквой, обозначающей его название. Например, латунь ЛЦ40МцЗА содержит 40 % цинка, 3 % марганца, около 1 % алюминия, остальное - медь.
Для повышения механических свойств, улучшения обрабатываемости, коррозионной стойкости двухфазные латуни легируют свинцом, оловом, железом, алюминием, кремнием и другими элементами. Такие латуни называют специальными. Например, олово повышает прочность латуни и сопротивление коррозии в морской воде, поэтому оловянные латуни называют еще морскими (адмиралтейскими).
Все двойные латуни хорошо обрабатываются давлением как в холодном, так и горячем состоянии (за исключением латуни Л60, которая обрабатывается в горячем состоянии).
Механические свойства и назначение латуней указаны в таблице 14.1.
14.3.4 Бронзы
Бронзы подразделяются на деформируемые и литейные. Деформируемые бронзы маркируют буквами Бр, за которыми следуют буквы, обозначающие название легирующих элементов, а затем цифры, показывающие их содержание в процентах. Например, бронза БрОЦС4-2-2,5 содержит 4 % олова, 4 % цинка, 2,5 % свинца, остальное - медь.
167
Таблица 14.1 - Латуни
|
Дополнительные |
Механические свойства |
|
||||
Сплавы |
|
|
|
Назначение |
|||
легирую-щие |
|
|
|
|
|||
|
σв, |
δ, |
|
||||
|
элементы |
|
МПа |
НВ |
|
||
|
|
% |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обрабатываемые давлением в холодном и горячем состоянии |
||||||
|
|
|
Пластичные (двойные латуни) |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
Трубки, радиаторные |
Л96: (том- |
|
|
|
|
|
|
листы, ленты |
пак) |
|
|
|
|
|
|
|
мягкая |
|
- |
|
216-255 |
45-55 |
49-59 |
|
твердая |
|
- |
|
392-470 |
1-3 |
127-142 |
Тонкостенные трубы, |
Л80: (полу- |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
лента, проволочная сет- |
||
томпак) |
|
|
|
|
|
|
ка для целлюлозной бу- |
мягкая |
|
- |
|
290-340 |
45-55 |
52-64 |
мажной промышленно- |
твердая |
|
- |
|
550-670 |
2-10 |
137-147 |
сти и др. |
Л68: |
|
|
|
|
|
|
Полосы, листы, ленты, |
мягкая |
|
- |
|
290-340 |
50-60 |
54-64 |
прутки, трубы, проволо- |
твердая |
|
- |
|
510-725 |
3-12 |
142-152 |
ка, фольга, профили раз- |
|
|
|
|
|
|
|
личных размеров |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обрабатываемые давлением в горячем состоянии |
|||||
|
|
|
(многокомпонентные латуни) |
|
|||
|
|
1 С высокими антифрикционными свойствами, |
|||||
|
|
хорошей обрабатываемостью резанием |
|||||
ЛС59-1: |
|
|
|
|
|
|
Крепежные изделия, |
мягкая |
|
Pb-0,8-1,9 |
|
290-412 |
36-50 |
68-79 |
зубчатые колеса, втулки |
твердая |
|
|
|
590-690 |
4-6 |
147-157 |
|
|
|
2 Повышенной прочности и коррозийной стойкости |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ЛАН59-3-2: |
|
|
|
|
|
|
Морское судостроение, |
|
Al-2,5-3,5; |
|
440-540 |
40-50 |
108-118 |
химическое машино- |
|
мягкая |
|
|
|||||
|
Ni -2-3 |
|
строение в электрома- |
||||
твердая |
|
|
|
635-735 |
7-11 |
172-182 |
шинах |
|
|
|
|
Литейные латуни |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Арматура, втулки, сепа- |
ЛЦ40С |
|
Pb-1 |
|
345-390 |
- |
78 |
раторы для подшипни- |
|
|
ков качения. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Примечание - Полуфабрикаты латуней поставляются в мягком (отожженном) состоянии; полутвердом состоянии (степень обжатия 10-30 %); твердом состоянии (степень обжатия 30-50 %).
168
В марках литейных бронз содержание каждого легирующего элемента ставится сразу же после буквы, обозначающей его название. Например, бронза БрО10Ц2 содержит 10 % олова, 2 % цинка, остальное - медь. Структуры бронз показаны на рисунках 14.6, 14.7.
Основа α - твёрдый раствор олова и цинка в меди Включения – эвтектоид (α + Cu31Sn8)
Рисунок 14.6 – Микроструктура литой оловянной бронзы Бр010Ц2
По границам дендритов (светлые кристаллы) видны включения эвтектоида α + γ
Рисунок 14.7 – Микроструктура литой алюминиевой бронзы БрАЖ9-2
Алюминиевые бронзы (двух- и многокомпонентные) имеют большое распространение в машиностроении. Система медь-алюминий (рисунок 14.8) относится к случаю ограниченной растворимости. Алюминий растворяется в меди с образованием твердого раствора.
Алюминиевые бронзы при содержании до 3,8 % алюминия после деформации и отжига имеют однофазную структуру, при большем содержании алюминия - двухфазную структуру.
169
Рисунок 14.8 – Диаграмма состояний медь – алюминий
Последние могут подвергаться закалке и отпуску. Алюминиевые однофазные бронзы (БрА5, БрА7) отличаются высокой прочностью и пластичностью. Они хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии. Предназначены для упругих элементов; для деталей, работающих в морской воде. По коррозионной стойкости превосходят латуни и оловянные бронзы. Вместе с тем эти сплавы трудно поддаются пайке, не устойчивы в условиях перегретого пара. Недостатки двойных алюминиевых бронз существенно устраняются при легировании железом, никелем, марганцем.
Железо значительно улучшает механические свойства бронз, измельчая зерно; оно способствует задержке рекристаллизации. Алюминиевожелезные бронзы (БрАЖ9-4) для улучшения прочности характеристик подвергают старению при 250 °С в течение 2 – 3 часов после их закалки при 950 °С. Они применяются для изготовления шестерен, червяков, втулок, седел клапанов и др., в основном в авиационной промышленности.
Кремнистые бронзы содержат до 3 % кремния, никель или марганец (БрКН1-3, БрКМц3-1). Эти сплавы отличаются высокими механическими, упругими и антифрикционными свойствами, при этом не теряют своей пластичности при низких и высоких температурах. Применяются для антифрикционных деталей, например, пружин, подшипников, в морском судостроении и пр. Выпускают в виде ленты, полос, прутков, проволоки.
Бронзы, в зависимости от содержания основных элементов, подразделяются на алюминиевые, кремнистые, бериллиевые, оловянные и свинцовистые бронзы.
Оловянные бронзы. Деформируемые бронзы изготавливают в виде прутков, лент и проволоки в нагартованном (твердом) и отожженном (мягком) состоянии (таблица 14.2).
170
Таблица 14.2 - Механические свойства и назначение деформируемых и литейных оловянных бронз
Бронза |
Механические свойства |
Назначение |
|||
|
|
|
|||
σВ, МПа |
δ, % |
НВ |
|||
|
|
||||
|
|
Деформируемые бронзы |
|
||
|
|
|
|
|
|
БрОФ 6,5-0,4: |
295-440 |
60-70 |
68,5-82 |
Пружины, детали машин |
|
мягкая |
и подшипников, сетки |
||||
твердая |
685-785 |
7-12 |
|
для целлюлозно-бумаж- |
|
|
|
|
|
ной промышленности |
|
БрОЦ 4-3: |
|
|
|
Ленты, полосы прутки, |
|
295-390 |
35-45 |
59-68,5 |
применяемые в электро- |
||
мягкая |
|||||
технике, для токоведу- |
|||||
твердая |
490-590 |
3-8 |
157-167 |
||
щих пружин, контактов, |
|||||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
пружинной проволоки и |
|
|
|
|
|
химической промыш- |
|
|
|
|
|
ленности, точной меха- |
|
|
|
|
|
нике |
|
БрОЦС 4-2,5: |
|
|
|
Для втулок и подшипни- |
|
295-345 |
35-45 |
48-68,5 |
ков в автотракторной |
||
мягкая |
|||||
и автомобильной |
|||||
твердая |
540-640 |
2-4 |
147-176 |
промышленности |
|
|
|
|
*) |
|
|
|
|
Литейные бронзы |
|
||
БрО3Ц12С5 |
175(205) |
8(5) |
59(59) |
Для литья антифрикци- |
|
|
|
|
|
онных деталей, для ар- |
|
|
|
|
|
матуры, работающей в |
|
|
|
|
|
воде и водяном пару |
|
БрО5Ц5С5 |
145(175) |
6(4) |
59(59) |
Для литья антифрикци- |
|
|
|
|
|
онных деталей |
|
*) В скобках указаны свойства латуней при литье в кокиль, а без скобок при литье в песчаную форму.
Они содержат до 6-7 % олова. Деформируемые оловянные бронзы в равновесном состоянии имеют однофазную структуру – твердого раствора. Деформируемые бронзы характеризуются хорошей пластичностью и более высокой прочностью, чем литейные.
171
14.4 Порядок выполнения работы
14.4.1Ознакомиться с внешним видом сплавов, измерить твердость.
14.4.2Просмотреть и изучить микроструктуру сплавов меди при увеличениях 200 и 500 раз.
14.4.3Зарисовать микроструктуры исследуемых сплавов.
14.4.4Под каждой зарисованной микроструктурой дать подпись с указанием наименования металла или сплава, марки, ориентировочного химического состава, обработки, наименования включений и структуры, увеличения.
14.4.5Изобразить диаграммы состояний Cu-Zn, провести на них вертикальные линии, соответствующие рассматриваемым сплавам, дать описание процессов превращений, происходящих при охлаждении.
14.5 Содержание отчета
14.5.1 Цель работы.
14.5.2 Описать внешний вид и признаки цветных металлов. 14.5.3 Зарисовать и описать микроструктуры сплавов. 14.5.4 Дать пояснения по диаграмме Cu-Zn.
14.5.5 Выводы.
14.6 Контрольные вопросы
14.6.1Назовите основные цветные металлы.
14.6.2Свойства технической меди.
14.6.3Латуни и их применение, марки латуней, маркировка латуней.
14.6.4Состав и структура латуней.
14.6.5Назначение бронзы, маркировка бронзы.
14.6.6Расшифруйте сплав Л90.
14.6.7Расшифруйте сплав БрСЦ10-10.
14.6.8Чем отличается бронза марки БрО5Ц5С5 от БрСЦ-5-5-5?
172
15 Лабораторная работа № 15
Алюминий и его сплавы *)
15.1 Цель работы
15.1.1 Ознакомление с составом, классификацией, маркировкой, термической обработкой, свойствами и областями применения алюминиевых сплавов.
15.1.2 Экспериментальное изучение влияния термической обработки на свойства дуралюмина.
15.2 Общие сведения
15.2.1 Свойства алюминия
Алюминий кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке. Аллотропических превращений не имеет. ГЦК решетка предопределяет высокий (с учетом, что температура плавления всего 660 °С) комплекс механических свойств алюминия, как при комнатной, так и при повышенных температурах. Алюминий относится к группе легких металлов. Его плотность – 2700 кг/м3. Он обладает высокой электрической проводимостью и теплопроводностью.
Механические свойства алюминия характеризуются низкими значениями абсолютной прочности и твердости и высокой пластичностью.
Алюминий обладает высокой химической активностью и одновременно исключительной коррозионной стойкостью. На воздухе он покрывается тонкой, но очень прочной беспористой оксидной пленкой Al2O3, надежно защищающей металл от дальнейшего окисления.
Чем алюминий чище, тем выше его коррозийная стойкость, пластичность, электро- и теплопроводность и тем ниже прочность и твердость. Так, литой алюминий высокой чистоты марки А955 (суммарное количество примесей 0,005 %) имеет предел прочности при растяжении 50 МПа, относительное удлинение 45 %, твердость по Бринеллю 15 HB. У алюминия марки А0 (сумма примесей 1%) те же характеристики соответственно равны 90
МПа, 30 % и 25 НВ.
Из-за низких прочностных свойств алюминий применяют лишь для ненагруженных деталей и элементов конструкций, когда от материала требуется легкость, коррозионная стойкость, пластичность, свариваемость.
15.2.2Сплавы алюминия
Кчислу достоинств сплавов на основе алюминия относятся: малая
*) Составлено при участии Синюхина А.В. и Репях В.С.
173
плотность, высокие удельные механические свойства, высокая коррозионная
стойкость, широкий температурный диапазон работы, начиная с температуры жидкого водорода, высокая вязкость разрушения, свариваемость, легкость обработки режущим инструментом.
Внастоящее время алюминиевые сплавы являются важнейшим конструкционным материалом летательных аппаратов.
Вкачестве основных легирующих элементов в алюминиевых сплавах применяют Cu, Mg, Si, Mn, Zn, несколько реже используют Ni, Li, Ti, Be, Zr и др.
Промышленные алюминиевые сплавы базируются на ряде многоком-
понентных систем: Al-Si, Al-Mg, Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mn, Al-Cu-Li, Al- Mg-Si, Al-Be-Mg, Al-Zn-Mg-Cu, Al-Mg-Si-Cu и др.
Для физико-химического взаимодействия алюминия с легирующими элементами характерна низкая (за исключением Zn), зависящая от температуры, растворимость их в алюминии. В условиях равновесия сплавы состоят из низколегированного твердого раствора и интерметаллидных фаз типа:
CuAl2 (тета--фаза), Al2Mg3Zn3 (Т-фаза), Al2CuMg (S-фаза), Mg2Si, Al3Mg2 и
других.
15.2.3 Классификация и маркировка алюминиевых сплавов
Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изго-товления (деформируемые, литейные, порошковые), способности к упрочнению термической обработкой (упрочняемые и неупрочняемые) и свойствам (жаропрочные, ковочные, высокопрочные, сплавы для заклепок и др.). Основой для разделения сплавов по технологии изготовления и способности к термической обработке являются диаграммы состояния. На рисунке 15.1 представлена схема подобного разделения для двойных и тройных сплавов.
А – деформируемые сплавы; В – литейные сплавы;
I, II – сплавы неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой
Рисунок 15.1 – Классификация сплавов
174