Московский государственный технический университет им.11.Э.Баумана

Калужский филиал

Е.В.Акулиничев

Изучение микроструктуры и свойств некоторых цветных сплавов

Методическое указание к лабораторным работам по курсу

«Материаловедение»

Под редакцией проф. Лебедева В.В.

Калуга 2001 г

Данное методическое указние издается в соответствии с учебным планом специальности___________________

Указание рассмотрено и одобрено: кафедрой «Материаловедение» Протокол №____________ от____________

____________________________ зав.кафедрой В В.Лебедев

методической комиссией Калужского филиала

Протокол №_________ от ______________

____________________________Председатель методической

комиссии Л.В.Максимов

Рецензент______________ доцент кафедры М2-КФ И.Ф.Базанчук Автор__________________ст. преподаватель П.В.Акулиничев

Аннотация.

Методическое указание содержит:

Задание и порядок выполнения лабораторной работы, основные сведения о сплавах на основе меди, алюминия, олова, их составах, структуре, свойствах, принципах маркировки и применении. Приводятся табличные данные, необходимые для составления отчёта.

Изучение микроструктуры и свойств некоторых цветных сплавов

Цель работы:

Изучить химический состав, структуру, свойства и применение сплавов на основе меди, алюминия, олова.

Задание и порядок выполнения работы:

1. С помощью диаграмм состояния определить структуру сплавов при комнатной температуре, для этого на диаграммах Cu-Al, Cu-Zn, Al-Si, Sn-Sb провести вертикальные линии, соответствующие их составам (диаграммы выдаются).

2. Изучить под микроскопом, зарисовать схему структур сплавов, указать на рисунках структурные составляющие.

3. Привести в виде таблицы химический состав, механические свойства и примерное назначение сплавов (см. стр. 14, таблица 8).

4. Проанализировать таблицу и установить зависимость между структурой и свойствами и кратко описать:

а) как изменяются структура и свойства латуней при увеличении содержания в них цинка;

б) каковы особенности структуры и свойств оловянистых, алюминиевых и бериллиевых бронз;

в) как влияет модифицирование и дополнительное легирование на структуру и свойства силуминов;

г) каковы особенности структуры баббитов, обеспечивающие хорошие антифрикционные свойства.

Необходимые материалы и приборы:

1. Коллекция микрошлифов: латуни марок Л68 и JIC59-I, бронза марки Бр.АЖН 10-4-4, силумин модифицированный АЛ2, баббит Б83.

2. Металлографический микроскоп.

3. Плакаты.

Медь, её свойства и применение

Медь плавиться при температуре 1083°С, не имеет аллотропических превращений, обладает ниже температуры плавления гранецентрированной /ГЦК/ решёткой. Это сравнительно тяжёлый металл, плотность которого составляет 8,94 г/. Высокая электропроводность, теплопроводность, коррозионная стойкость, пластичность - вот характерные свойства меди, благодаря которым она нашла широкое применение в электротехнической промышленности и приборостроении как проводниковый и конструкционный материал.

Некоторые её свойства в зависимости от состояния поставки приведены в таблице 1.

Для проводников тока чаще всего используют медь марки MI, которую называют стандартной. Она содержит не более 0,1% примесей. По отношению к ней значение электропроводности всех металлов выражают в процентах. Все примеси снижают электропроводность меди. Особенно сильно влияют примеси Р, Si, Fe, Be, Zn, Ni, образующие с медью твёрдые растворы. В соответствии с законом Н.С. Курнакова электропроводность снижается на 50% уже при наличии 0,5% этих примесей.

Добавки таких элементов как Ag, Cd, образующих с медью смеси, мало снижают электропроводность. Поэтому они применяются для упрочнения электротехнической меди. Химический состав и применение различных марок приведены в таблице 2.

Сплавы на основе меди, сохраняя многие положительные качества самой меди, обладают большей прочностью, имеют хорошие технологические качества свойства. Наиболее широко используются две группы медных сплавов: латуни и бронзы.

Свойства меди марки MI

Таблица 1.

Состояние меди	Механические свойства ,		Удельное электросопротивление
	кгс/	δ %
Литая	15. ..20	15. ..25	---
Отожженная	20. ..25	45. ..50	0,0172
Наклепанная	40. ..50	6. ..6	0,0179. ..0,0182

Химический состав и применение меди

Таблица 2.

Марка	Химический состав , %		Применение
	Сu	Постоянные примеси As, Fe, Si, P,Pb,­­
М 0 М 1	99,95	0,05	Для проводников тока.
	99,9	0,10
М 2	99,7	0,30	Для высококачественных полуфабрикатов и изготовления сплавов, обрабатываемых давлением.
М 3	99,5	0,50	Для проката и изготовления сплавов обычного качества и прочих литейных сплавов.
М 4	99,0	1,0	Для изготовления литейной бронзы и различных неответственных сплавов.

Рис.1 Диаграмма состояния системы Cu-Zn

Латуни

Латунями называют сплавы меди с цинком. Практически применяемые латуни содержат до 45% Zn. На рис.1 представлена часть диаграммы состояния Сu - Zn. В соответствии с диаграммой состояния латуни разделяются по структуре не две группы:

1. Однофазные латуни содержат до 39% Zn и имеют структуру α - твёрдого раствора замещения цинка в меди.

2. Двухфазные латуни содержат от 39% до 45% Zn и имеют структуру , где

- упорядоченный твёрдый раствор на основе химического соединения.

Микроструктура деформированной и отожженной α - латуни имееет зернистое строение и характерные полосы скольжения /двойникования/.

Вследствие различной ориентировки зёрен они травяться с разной интенсивностью. Поэтому одни зёрна выглядят более светлыми, другие более тёмными /рис.2/.

Микроструктура двухфазных латуней /рис.3/ представлена светлыми кристаллами α - раствора и тёмными кристаллами -фазы, которые травятся сильнее,

α - фаза из-за большого содержания в них цинка.

При повышении содержания цинка в α – латуни до 39% возрастает её прочность и пластичность. При дальнейшем увеличении содержания цинка до 45% прочность продолжает расти, а пластичность снижается за счёт появления в структуре твёрдой и хрупкой -фазы. Повышение содержания в них цинка улучшает обрабатываемость резанием, способность прирабатываться и противостоять износу. Одновременно уменьшается тепло- и электропроводность.

Латуни применяют чаще всего как деформируемые сплавы. Деформируемость α - латуней высока даже при комнатной температуре, в то время как двухфазные из-за наличия хрупкой -фазы деформируются только в горячем состоянии. Для устранения наклёпа холоднодеформированные латуни подвергают отжигу при температурах 500 -600°С.

Кроме латуней в технике широко применяются специальные латуни, в состав которых входят специальные легирующие добавки Al, Ni, Fe, Si, Sn и другие, которые улучшают некоторые свойства. Например, повышает коррозионную стойкость, Рb - улучшает обрабатываемость резанием, Аl - повышает твёрдость, прочность и коррозионную стойкость. Некоторые легированные латуни обладают хорошими литейными свойствами, их применяют для фасонных отливок.

Марки, химический состав, свойства и примерное назначение некоторых промышленных латуней приведены в таблице 3.

Состав, свойства и применение латуней

Таблица 3.

Марка латуни	Химический состав, Zn% -остальное		Механические свойства,			Примерное назначение
	Сu%	Прочие, %	, МПа	%	НВ
Деформируемые латуни (гост 15527-70)
Л80(ЛЦ20)	79. ..81	-	310	52	53	Листы, ленты, проволока
Л68(ЛЦ32)	67. ..70	-	330	56	56	Проволочные сетки, трубы для теплообменников, штампованные детали
Л60(ЛЦ40)	59. ..60	-	360	49	56
ЛМЦ58-2 (ЛЦ40Мц2)	57. ..60	Мn 1,0. ..2,0	440	36	100	Листы, ленты, проволока
ЛС59-1 (ЛЦ40С1)	57. ..61	Рb 0,8. ..2,0	420	45	90	Листы, ленты, трубы, поковки, прутки для шестерёнок, втулок
Литейные латуни (гост 17711 -80)
ЛЦ40С1	57... 61	Рb 0,8...2,0	215	20	90	Литьё арматуры, втулок, сепараторов шестерёнок
ЛЦЗ0АЗ	66. ..68	Al 2.0...3.0	392	15	90	Коррозионностойкие детали в судостроении
ЛЦ16К4	78. ..81	Si 3.0... 4,5	343	15	110	Арматура, работающая при температуре до 250°С
ЛЦ23А6Ж ЗМц2	64. ..68	Al 4.0. ..7.0 Fe 2,0... 4,0 Мn 1,5. ..3,0	705	7	165	Детали, работающие при высоких нагрузках, антифрикционные детали

Рис.2 Микроструктура деформированной и отожжённой α - латуни, х100.

Рис.3 Микроструктура двухфазной -латуни, x100.

Бронзы

Бронзами называют сплавы меди с оловом, алюминием, бериллием и другими элементами. Названия бронзам дают по основным легирующим элементам. Их подразделяют на оловянные, алюминиевые, бериллиевые и т.п.

Оловянные бронзы. Структура оловянной бронзы определяется диаграммой состояния Cu-Sn /Рис. 4/. В промышленности применяют только сплавы, содержащие до 12% олова. Сплошные линии на диаграмме характеризуют структуру, получающуюся в сплавах при очень медленном охлаждении или после длительного отжига. Обычно при производстве отливок такие условия не обеспечиваются. Поэтому на диаграмме проведены пунктирные линии, которые показывают состояние сплавов при их неравновесном ускоренном охлаждении.

При содержании олова до 6-7% микроструктура литой бронзы состоит из неоднородного α - твёрдого раствора олова в меди, т.е. является однофазной. При содержании олова более 7% структура сплавов двухфазная и состоит из α - твёрдого раствора и эвтектоида ( α + Cu₃Sn).

Оловянные бронзы обычно легируют дополнительно Zn, Fe, Рb, Ni для улучшения технологических, механических свойств и для удешевления, так как олово - дорогой металл.

По технологическому признаку различают деформируемые и литейные оловянные бронзы. Деформируемые бронзы содержат обычно 4-6% Sn , до 0,4% Р, до 4% Zn и до 2,5% Рb и имеют однофазную структуру α - твёрдого раствора. Литейные бронзы, содержащие большое количество цинка, фосфора и других элементов, имеют двухфазную структуру, состоящую из α - раствора и эвтектоида [α + Cu₃Sn(ε)]. Твёрдые включения Cu₃Sn, находящиеся в относительно мягкой основе α - раствор, придают бронзам хорошие антифрикционные свойства.

Алюминиевые бронзы. На рис.5 приведена диаграмма состояния Си-Аl. Практическое применение находят сплавы с содержанием алюминия не более 12%. Сплавы, содержащие до 9% Аl являются однофазные и их микроструктура представляет собой зёрна α - твёрдого алюминия в меди. При содержании алюминия более 9% в структуре появляется эвтектоид (α + γ'), где γ' - электронное соединение типа Cu₃₁Al₁₉. При исследовании под микроскопом избыточный α - твёрдый раствор выглядит светлым, а эвтектоид (α + γ') - тёмным, /рис.6/

Так как α - раствор очень пластичен, однофазные бронзы, содержащие до 8% алюминия, хорошо деформируются даже в холодном состоянии. Остальные сплавы можно подвергать деформации только в горячем состоянии в связи с повышенной твёрдостью и

хрупкостью γ' - фазы. Алюминиевые бронзы имеют хорошие литейные свойства. Применение находят как двойные сплавы Сu-Al, так и дополнительные легированные никелем, марганцем, железом и другими элементами, которые улучшают свойства сплавов. Например, никель повышает износостойкость и теплостойкость.

Алюминиевые бронзы хорошо сопротивляются коррозии. Имеют хорошие механические и технологические свойства, более дешевы, чем оловянные. Сплавы, испытывающие эвтектоидное превращение /рис.5/ способны упрочняться термической обработкой, включающей закалку и старение. Такие сплавы могут быть использованы для

изготовления деталей.

Рис.4 Диаграмма состояния Cu-Sn

Рис.5 Диаграмма состояния Си-А1

Рис.6 Микроструктура алюминиевой бронзы (α - твёрдый раствор и

эвтектоид [α + γ']), х100

Рис.7 Диаграмма состояния системы Сu-Be

Бериллиевые бронзы. Наибольшее применение находит бронза, содержащая около 2% бериллия. Диаграмма состояния Сu-Be приведена на рис.7.

Растворимость бериллия в меди уменьшается с 2,7% при 866°С до 0,2 при 300°С. Это даёт возможность производить закалку и старение бериллиевой бронзы. После термообработки, изделия из бериллиевой бронзы имеют высокий предел прочности, отличные упругие свойства и хорошо сопротивляются коррозии.

Бронзы маркируются следующим образом. Марка начинается с букв «Бр», легирующие элементы обозначаются буквами русского названия элементов (Ф - фосфор, Б - бериллий, А - алюминий, Ж - железо и т.п.), цифра, следующая за буквой, указывает процент соответствующих элементов.

Марки, химический состав, свойства и примерное назначение некоторых бронз приведены в таблице 4.