899-materialovedenie-560kb

Бронзы

В зависимости от основного легирующего элемента различают оловянные, алюминиевые, свинцовые, бериллиевые и другие бронзы.

Бронзы применяют для получения отливок и полуфабрикатов, изготавливаемых обработкой давлением.

Алюминиевые бронзы – это сплавы меди с алюминием, а также с добавками марганца, железа и никеля. Добавки марганца улучшают коррозионную стойкость, добавки железа и никеля – прочностные свойства при комнатной и повышенных температурах, делая алюминиевые бронзы восприимчивыми к упрочняющей термической обработке. Согласно диаграмме состояния Сu–Аl (рис. 6.7)? сплавы, содержащие менее 9,4 % Al, должны состоять из одной фазы – α-раствора алюминия в меди. Микроструктура этих сплавов после отжига слитка, после горячей деформации или отжига после холодной деформации ничем не отличается от структуры α-латуни, прошедшей соответствующую обработку.

Рис. 6.7. Диаграмма состояния системы Cu–Al

70

Однофазная деформируемая алюминиевая бронза БрА5 содержит 5 % Al, отличается высокой коррозионной стойкостью и применяется для изготовления монет.

При содержании алюминия свыше 9,4 %, а в неравновесных условиях и при меньшем его содержании, в структуре кроме первичных α-кристаллов (светлая составляющая) появляется эвтектоид (α + γ2) (темная составляющая), где γ2 – соединение электронного типа.

Наиболее широко используют алюминиевые бронзы БрАЖ9-4 и БрАЖМц10-3-1,5 как деформируемые и как литейные, причем, если бронзы этой группы применяют как литейные, то к их марке добавляют букву Л.

Четырехкомпонентная алюминиевожелезомарганцовистая бронза БрАЖМц10-3-1,5 помимо α-раствора и эвтектоида (α + γ2) содержит точечные включения железной составляющей, равномерно распределенные по всему полю шлифа. Эта бронза после литья в кокиль имеет σв = 500 МПа, δ = 12 %.

Свинцовая бронза БрС30, содержащая 30 % Рb (см. рис. 6.5), применяется для заливки вкладышей подшипников. В этой бронзе мягкие включения свинца распределены в более прочной и высокотеплопроводной медной матрице. Высокая теплопроводность бронзы БрС30 облегчает условия работы подшипника при больших удельных давлениях и высоком числе оборотов, когда при трении выделяется много теплоты.

6.2.Порядок проведения работы

1.Просмотреть набор приготовленных алюминиевых и медных сплавов, определить фазы и структурные составляющие.

2.Используя атлас микроструктур, схематично зарисовать изученные структуры сплавов.

6.3.Требования к отчету

1.Представить зарисовки всех изученных микроструктур алюминиевых сплавов, латуней и бронз.

2.Под каждой микроструктурой подписать марку сплава, средний химический состав, состояние, стрелками указать структурные составляющие.

3.Рядом с микроструктурами начертить соответствующие диаграммы состояния, необходимые для анализа структур.

71

Литература

Металловедение / И.И. Новиков, В.С. Золоторевский и др. М.: Изд. дом МИСиС, 2009. Т. 2. С. 262–267, 288–290, 305–311, 364–378.

Контрольные вопросы

1.На какие основные группы подразделяют алюминиевые спла-

вы?

2.В какой области диаграммы состояния алюминиевые сплавы обладают хорошими литейными свойствами и почему?

3.Какая основная структурная составляющая в деформируемых алюминиевых сплавах?

4.Какой процесс происходит при нагреве алюминиевых сплавов под закалку?

5.Какие процессы происходят при старении алюминиевых спла-

вов?

6.Какие избыточные фазы, образованные основными легирующими элементами, встречаются в алюминиевых сплавах?

7.Какие примеси всегда присутствуют в алюминиевых сплавах?

8.Какие структурные составляющие наблюдаются в доэвтектическом сплаве системы Al–Si?

9.Чем отличаются структуры доэвтектического модифицированного и немодифицированного силуминов?

10.Для чего в силумины вводят марганец?

11.На базе какой системы создан сплав АМг6? К какой группе алюминиевых сплавов он относится?

12.На базе какой системы создан сплав Д1? К какой группе алюминиевых сплавов он относится?

13.Какая примесь является причиной «водородной болезни»

меди?

14.Какие сплавы называют латунями?

15.Сколько цинка содержит латунь Л63?

16.Можно ли по микроструктуре определить химический состав однофазной латуни?

17.Из каких структурных составляющих состоит бронза БрС30?

72

Лабораторная работа 7

ЗАКАЛКА И СТАРЕНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

(2 часа)

Цель работы – овладеть навыками проведения закалки и старения алюминиевых сплавов и анализа твердости при этих обработках.

7.1. Теоретическое введение

Старение – это основной способ упрочняющей термической обработки сплавов цветных металлов. Прежде чем проводить старение, сплавы необходимо подвергнуть закалке без полиморфного превращения.

Закалка без полиморфного превращения – это термическая обработка, фиксирующая при комнатной или более низкой температуре состояние сплава, свойственное ему при более высокой температуре.

T

A

			L
					B
T1		1
T2		2 L +		L +
T3		a	e	b
		3
			+
A	X2 c	X1		d	B

B, %

Рис. 7.1. Выбор температуры закалки

Если сплав Х1 (рис. 7.1) достаточно быстро охладить, например в воде, с температуры Т2 из α-области, то диффузионное перераспределение, необходимое для выделения кристаллов β-фазы, не успевает

73

пройти, β-фаза не выделяется из α-раствора, и сплав при комнатной температуре состоит из одной α-фазы (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Структура сплава Х1 после закалки

Если при температуре выше точки 3 α-раствор в сплаве Х1 ненасыщенный, то при комнатной температуре раствор того же состава является пересыщенным (состав насыщенного α-раствора при комнатной температуре изображает точка с). Таким образом, при закалке без полиморфного превращения образуется пересыщенный твердый раствор.

Основное назначение закалки без полиморфного превращения – подготовка сплава к старению. Реже закалку применяют как окончательную термообработку.

Верхнюю границу интервала закалочных температур во избежание пережога выбирают ниже точки солидуса сплава (Т1) с учетом возможного перепада температур в садке и точности контроля температуры. Пережог вызывается оплавлением по границам зерен. При закалке неравновесная кристаллизация оплавленных участков приводит к образованию по границам зерен хрупких интерметаллидов, что вызывает охрупчивание сплава. Кроме того, под действием закалочных напряжений могут возникать межкристаллитные трещины, снижающие пластичность и сопротивление усталости. На шлифе пережог выявляется в виде утолщений границ зерен. При сильном пережоге внутри зерен появляются оплавленные участки сферической формы. Возможная ширина интервала закалочных температур определяется «вилкой» между точками солидуса (Т1) и сольвуса (Т3) (см. рис. 7.1, между точками 1 и 3).

Закалку чаще всего проводят с охлаждением в воде. Охлаждение должно быть не обязательно быстрым, а таким, чтобы не успело пройти выделение β-фазы из твердого раствора. Если это выделение

74

происходит медленно, то закалку можно проводить в подогретой воде (для уменьшения закалочных напряжений) и даже на воздухе.

Чем толще сечение отливки, т.е. меньше скорость кристаллизации и, соответственно, толще частицы избыточных фаз, тем больше должно быть время выдержки при нагреве под закалку для возможно более полного растворения этих фаз.

Старение

Старение – это термическая обработка, при которой в сплаве, подвергнутом закалке без полиморфного превращения, главным процессом является выделение из пересыщенного твердого раствора.

Взакаленном сплаве X1 (см. рис. 7.1) пересыщенный α-раствор содержит избыток растворенного компонента В. Этот избыток при комнатной

температуре изображается отрезком сX1. Закаленный сплав стремится перейти из метастабильного состояния с повышенной энергией Гиббса в более стабильное состояние, выделяя избыток растворенного компонента в виде второй фазы. Выделение второй фазы – это диффузионный процесс, связанный с формированием участков, обогащенных компонентом В.

Взакаленных сплавах на основе алюминия, магния и цинка диффузионная подвижность атомов при комнатной температуре настолько высока, что при этой температуре в той или иной степени происходит распад твердого раствора, т.е. наблюдается естественное старение. Если эти сплавы после закалки нагревать, то диффузионная подвижность возрастает, и распад пересыщенного раствора происходит быстрее и полнее. Такое старение называют искусственным. В закаленных сплавах на основе меди, никеля и магния диффузионная подвижность при комнатной температуре столь низкая, что естественное старение не развивается; эти сплавы подвергают только искусственному старению. Старение в общем случае протекает в несколько стадий.

При комнатной температуре в пересыщенном твердом растворе компонента В в компоненте А происходит образование участков, обогащенных компонентом В. В соответствии с диаграммой состояния

(см. рис. 7.1) из твердого раствора на базе компонента А должна выделяться β-фаза. Поэтому образование в пересыщенном твердом растворе участков, обогащенных компонентом В, можно рассматривать как подготовительную стадию к выделению второй фазы. Эти участки называют зонами Гинье–Престона (сокращенно – зоны ГП); их размер составляет 1...10 нм, т.е. не более 20 периодов решетки.

75

Зоны ГП называют предвыделениями. После их образования может начаться собственно выделение второй фазы.

Впромышленных сплавах стабильная β-фаза, которая должна в конце концов выделиться из пересыщенного α-раствора, чаще всего

является химическим соединением, структура которого сильно отличается от структуры α-раствора. Поэтому граница α/β характеризу-

ется высокой межфазной энергией. Вместе с тем из пересыщенного твердого раствора может выделяться метастабильная β'-фаза, структура которой промежуточная между матричным α-раствором и стабильной β-фазой. В этом случае межфазная энергия на границе α/β' меньше, чем на границе α/β. Такая метастабильная β'-фаза выделяется быстрее, чем стабильная β-фаза.

Вобщем случае наблюдается такая последовательность стадий

распада пересыщенного α-раствора: αпересыщ → ГП → β' → β. Образование выделений стабильной β-фазы сопровождается растворением

метастабильной β'-фазы.

Дисперсные выделения склонны к укрупнению, при котором мелкие частицы исчезают, а крупные вырастают. Такой процесс, называемый коагуляцией или коалесценцией, приводит к уменьшению суммарной межфазной энергии. Коагуляция выделений происходит путем переноса вещества через матричный α-раствор при растворении в нем более мелких и росте более крупных выделений.

В общем случае с увеличением продолжительности старения прочность сначала возрастает, а затем снижается (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Зависимость прочности сплава от времени старения (Т1 < Т2 < Т3)

76

Упрочнение возникает на стадии образования зон ГП и метастабильной β'-фазы. Так как атомные диаметры легирующего элемента и металла-основы различаются, то образование зон ГП (участков твердого раствора с резко повышенной концентрацией второго компонента) приводит к искажению решетки α-раствора. Эти искажения затрудняют скольжение дислокаций в α-растворе с зонами ГП, тем самым вызывая упрочнение сплава. Дислокации обычно не перерезают прочные частицы β'-фазы, а проталкиваются между ними.

Чем больше зон ГП и частиц β'-фазы и меньше расстояние между ними, тем больше торможение скольжения дислокаций и выше эффект упрочнения при старении. Такое упрочнение называют дисперсионным твердением.

Разупрочнение при дальнейшем увеличении времени старения, называемое перестариванием (см. рис. 7.3), обусловлено действием двух факторов:

1)происходит коагуляция дисперсных выделений метастабильной β'-фазы, при которой увеличивается расстояние между выделениями, чем ослабляется их барьерное действие;

2)выделения метастабильной β'-фазы постепенно заменяются выделениями стабильной β-фазы, а расстояния между частицами стабильной фазы обычно намного больше, и дислокации легко проходят между ними.

С повышением температуры старения увеличивается диффузионная подвижность атомов, быстрее проходят все этапы распада раствора, быстрее идет упрочнение и раньше наступает перестаривание (см. рис. 7.3). Если температура старения сравнительно низкая, то перестаривание может вообще не наблюдаться. Например, у многих алюминиевых сплавов при комнатной температуре образуются только зоны ГП, прочность возрастает с затуханием и затем практически не

изменяется (см. рис. 7.3, кривая старения при Т1).

Величина упрочнения при старении зависит от состава спла-

ва. В сплавах типа X2, состав которых находится левее точки с (см. рис. 7.1), старение вообще невозможно, так как нельзя получить

пересыщенный твердый раствор. В сплавах типа X1, ордината которых пересекает сольвус ас, прирост прочности при старении должен быть тем больше, чем правее находится состав сплава: с увеличением

содержания второго компонента в сплаве возрастает пересыщенность α-раствора после закалки и увеличивается количество выделений при старении, что обеспечивает большее упрочнение.

77

Прочность состаренного сплава зависит от исходного уровня прочности закаленного сплава. Так как прочность α-раствора возрастает с увеличением в нем концентрации легирующего элемента, то сплавы, близкие по составу к точке предельной растворимости при эвтектической температуре, обладают высокой прочностью в закаленном состоянии. Они же характеризуются наибольшим упрочнением при старении. Отсюда следует вывод, что составы наиболее прочных стареющих сплавов находятся на диаграммах состояния вблизи точек предельной растворимости.

Режим старения выбирают, ориентируясь на достижение максимальной прочности (см. рис. 7.3, максимумы на кривых) или на достижение оптимального сочетания характеристик прочности, пластичности, коррозионной стойкости и др. Если при старении на максимальную прочность (полное старение) пластичность оказывается недопустимо низкой, то проводят неполное старение, режим которого соответствует восходящей ветви кривых прочности на рис. 7.3. При этом некоторая потеря возможного прироста прочности компенсируется меньшим снижением пластичности.

7.2. Порядок проведения работы и указания по технике безопасности

1.Провести закалку 7 образцов из алюминиевого сплава. Нагреть три образца до температуры 500 °С, выдержать в течение 30 мин, быстро закалить в холодной воде.

Измерить твердость по Бринеллю закаленного образца.

2.Изучить влияние времени старения на твердость алюминиевого сплава.

Шесть закаленных образцов поместить в сушильный шкаф для старения при 150 °С в течение 3, 15, 30, 60, 90 и 120 мин.

При работе с электрическими печами сопротивления необходимо помнить, что они могут явиться источниками поражения электрическим током и термических ожогов.

Запрещается начинать работу с печами без разрешения преподавателя или учебного лаборанта.

Во избежание поражения электрическим током загрузку образцов

впечь и их выгрузку производить только при выключенном электро-

питании печи.

Во избежание термических ожогов запрещается прикасаться к корпусу печей и работать без рукавиц и специальных клещей.

78

7.3.Требования к отчету

1.Начертить участок диаграммы состояния системы Al–Cu. Нанести на диаграмму состояния ординату изучаемого сплава и температуру закалки.

2.Представить в виде графика зависимости твердости по Бринеллю от времени старения.

Литература

Металловедение. / И.И. Новиков, В.С. Золоторевский и др. М.: Изд. Дом МИСиС, 2009. Т. 2. С. 84–88, 142–161.

Контрольные вопросы

1.Опишите типы выделений при старении.

2.Какая структурная особенность метастабильной промежуточной фазы обусловливает ее выделение вместо стабильной при старении?

3.Как зарождаются более стабильные выделения при наличии ранее образовавшихся менее стабильных выделений?

4.Как и почему меняются механические свойства при старении, когда образуются метастабильные и стабильные фазы?

5.Каковы закономерности влияния температуры и времени старения на механические свойства?

6.Что такое перестаривание?

79