Лабораторная работа №10. Микроструктуры цветных сплавов

10.1 Цель работы: Изучить микроструктуры легких и тяжелых цветных сплавов, их механические свойства и область применения.

10.2 Задание

10.2.1 По литературным источникам [1, 2] изучить цветные сплавы и подшипниковые материалы, структуры и свойства, их термическую обработку и область применения.

10.2.2 Изучить микроструктуру исследуемых сплавов на основе алюминия, меди и олова, используя для этого оптический микроскоп МИМ – 7 и альбом микроструктур цветных сплавов.

10.2.3 Зарисовать и описать исследуемые микроструктуры в таблице 10.1, указав при этом химический состав, вид термической обработки и свойства сплавов, получаемые в результате ее проведения.

10.2.4 Ответить на индивидуальный вопрос.

10.2.5 Составить отчет.

10.3 Общие положения

В настоящее время из цветных металлов наибольшее применение в промышленности имеют сплавы на основе алюминия, магния, титана, меди и легкоплавкие подшипниковые сплавы и припои.

По удельному весу цветные сплавы делятся на легкие цветные сплавы (алюминиевые, титановые, магниевые) и тяжелые – на основе меди, олова, свинца и другие.

Алюминиевые сплавы, применяемые в промышленности, могут быть разделены на две группы: деформируемые и литейные. К числу деформируемых относятся сплавы, структура которых в равновесном состоянии состоит только из твердого раствора или твердого раствора с небольшими включениями других фаз. Деформируемые алюминиевые сплавы подразделяются на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой. Сплавы, упрочняемые термической обработкой, легируются, в основном, медью, магнием и кремнием. К ним относятся дюралюмины марки Д16, Д1 и высокопрочный сплав В95. Термическая обработка сплавов типа дюралюмина основана на получении в результате закалки пересыщенного твердого раствора, способного упрочняться при естественном и искусственном старении. Наибольшее применение в технике, особенно в авиации, получили сплавы алюминия с медью и магнием – дюралюмины (химический состав сплавов указан в табл. 10.1).

Структура дюралюмина после отжига состоит из -твердого раствора, т.е. раствора Cu и Mg в Al и смеси различных фаз: CuAl₂; CuMgAl₂ и другие. Которые при старении являются упрочняющими фазами. Все эти фазы как бы вкраплены в основную массу -твердого раствора. Структура дюралюминия Д16 после закалки и естественного старения представлена на рис. 10.1 и состоит из зерен пересыщенного -твердого раствора и интерметаллических соединений FeAl₃; (Mn, Fe)Al₆, представляющий собой темные включения на светлом фоне -твердого раствора.

Рис. 10.1 Дюралюминия Д16 после закалки 500⁰ С и естественного старения х250

К литейным алюминиевым сплавам относятся сплавы, содержащие в структуре эвтектику. К ним относятся сплавы системы: Al-Si (АЛ2; АЛ5); Al-Cu (АЛ12) и др. Однако наиболее широкое применение получили сплавы системы Al-Si – силумины. Силумины обладают хорошими литейными и удовлетворительными механическими свойствами. Силумины содержат кремния 8 – 14%. При содержании кремния 11,6% образуется эвтектика, состоящая из -твердого раствора кремния в алюминии и кристаллов кремния. Большинство применяемых силуминов являются доэвтектическими сплавами, так как заэвтектические сплавы, содержащие в структуре крупные первичные кристаллы кремния, очень хрупки и обладают низкой пластичностью. Структура доэвтектического силумина состоит из -твердого раствора и эвтектики (+Si). При обычном способе литья эвтектика силумина имеет грубое игольчатое строение. Немодифицированный силумин имеет заэвтектическое строение. Структура его состоит из эвтектики, представляющей собой иглоподобные включения кремния на фоне твердого раствора , и первичных кристаллов кремния (рис. 10.2). Для измельчения эвтектики, с целью получения более высоких свойств, силумины подвергают модифицированию, которое заключается во введении в жидкий сплав перед самой разливкой небольшого количества натрия (не более 0,01%). Структура модифицированного силумина показана на рис. 10.3, где видны первичные дендрины -твердого раствора (светлые участки) и мелкодисперсная эвтектика (+Si) в виде темного фона.

Сплавы меди с цинком называются латунями. По структуре различают однофазные и двухфазные латуни. Латуни маркируются буквой «Л» и цифрами, указывающими содержание меди. К числу однофазных латуней относятся: Л80, Л68, Л62. Однофазные латуни мягки и пластичны. Легко деформируются и идут на изготовление деталей путем глубокой вытяжки. Структура латуни Л80 после холодной прокатки и последующего отжига представлена на рис. 10.4. Она состоит из зерен твердого раствора цинка в меди ( - фаза) с большим числом двойников, свидетельствующих о предшествовавшей пластической деформации.

Рис. 10.2 Силумин Ал2. Литой немодифицированный х250	Рис. 10.3 Силумин Ал2. Литой модифицированный х250

Рис. 10.4 Латунь Л80 (однофазная, Zn=20%). После прокатки и отжига х250

Структура двухфазной латуни Л59 состоит из двух фаз – твердого раствора  и твердого раствора - на основе химического соединения CuZn. Структура Л59 показана на рис. 10.5, где светлые участки – зерна твердого раствора , а темные - . Твердый раствор тверже, но менее пластичен, чем , поэтому двухфазные латуни тверже однофазных и применяются для изготовления различной арматуры путем механической обработки. Для лучшей обрабатываемости в латунь вводят около 1% свинца (марка ЛС59-1).

Рис. 10.5 Латунь Л59 литая двухфазная (Zn=40%); -фаза светлая;

-фаза темная х250

Двойные или многокомпонентные сплавы меди с оловом, алюминием, свинцом, бериллием, хромом и т.д. называются бронзами. Бронза маркируется буквами Бр, за которыми следуют буквы, показывающие какие легирующие элементы содержатся в бронзе, а затем цифры, указывающие количество этих элементов. Например, БрС30 – бронза свинцовистая с 30% свинца. Бронзы обладают высокой коррозионной стойкостью и хорошей обрабатываемостью. Многие из них отличаются высокими антифрикционными свойствами. Большинство бронз обладают хорошими литейными свойствами; по механическим свойствам некоторые бронзы, например, бериллиевые, не уступают качественным сталям. На рис. 10.6 представлена структура литой бронзы БрОФ6-0,25 (6% Sn; 0,25% Р), которая имеет дендритный характер. Сплав такого состава однофазен и должен иметь структуру твердого раствора олова в меди, но он весьма склонен к ликвации, вследствие чего отдельные участки кристалла (дендрит) имеют различный состав: оси дендритов, кристаллизующиеся в первую очередь, обогащены медью (светлые участки), междуосные промежутки, затвердевающие последними, обогащены оловом (темные участки).

Рис. 10.6 Бронза оловянистая литая (Sn=7%). Дендриты -фазы х250

БрОФ6-0,25 используются в основном как антифрикционный сплав и в деформированном виде. К группе антифрикционных сплавов относятся баббиты. На рис. 10.7 показана структура оловянистого баббита марки Б83 (83% Sn; 11% Sb; 6% Cu). Сурьма образует с оловом -твердый раствор (темное поле) и химическое соединение SnSb (светлые включения кубической формы). Медь образует соединения Cu₃Sn или Cu₆Sn₅, которые кристаллизуются первыми в виде игольчатых кристаллов (светлые звездочки). Соединения меди образуют как бы скелет сплава, на котором кристаллизуются зерна химического соединения SnSb, что предотвращает ликвацию по удельному весу. Описанная структура разнородна по свойствам, -твердый раствор – мягкая основа, кристаллы химических соединений SnSb – твердые включения. Именно такая структура и обеспечивает высокие антифрикционные свойства баббита. Твердые частицы SnSb и Cu₃Sn играют роль опорных частиц, выдерживающих основную нагрузку вала, а мягкая основа -твердого раствора прирабатывается в условиях работы трущейся пары, что способствует равномерному распределению смазочного масла.

Рис. 10.7 Баббит оловянистый Б83 (83% Sn, 11% Sb, 6% Cu) х250

10.4 Порядок выполнения работы

10.4.1 Для выполнения работы студенты получают коллекцию шлифов согласно таблице 10.1.

10.4.2 При помощи микроскопа МИМ – 7 и альбома фотографий микроструктур, студенты изучают структуру всех сплавов и зарисовывают ее в табл. 10.1. При зарисовке важно уловить характерные особенности изучаемой структуры, при этом все структурные составляющие должны быть описаны. В табл.10.1 необходимо указать марку сплава, химический состав, увеличение.

10.5 Отчет о работе

10.5.1 Название, цель и задание.

10.5.2 Порядок выполнения работы.

10.5.3 Результаты исследования микроструктур цветных сплавов (табл.10.1).

10.5.4 Ответ на индивидуальный вопрос.

Таблица 10.1

Микроструктуры цветных сплавов

№	наименование сплава, марка	Химический состав, %	Вид обработки	Микроструктура	Описание	Свойства	Увеличение
1	Силумин АЛ2	10–13% Al	Не модифицирован
2	Силумин АЛ2	10–13% Al	Модифицирован
3	Латунь Л70	79–81% Cu	После прокатки
4	Латунь Л80	79–81% Cu	После прокатки, отжига
5	Латунь Л59	58–60% Cu	Литая
6	Бронза Бр ОФ6-0,25	6% Sn, 0,25P, ост. Cu	Литая
7	Баббит Б83	83% Sn, 11% Pb, 6% Cu	Литой

10.6 Контрольные вопросы

1. На какие группы делятся алюминиевые сплавы в зависимости от технологии их обработки?

2. Опишите в общем виде структуру и фазовый состав алюминиевых сплавов.

3. Высокопрочные алюминиевые сплавы, их состав и область применения?

4. Где применяются и как упрочняются сплавы Al-Mn (АМ_ц) Al-Mg (МА_г)?

5. Какую термическую обработку проходят литые алюминиевые сплавы?

6. Какой состав имеет сплав силумин и как он упрочняется?

7. Как влияет цинк на механические и технологические свойства латуни?

8. Как влияет олово на механические свойства и структуру бронз?

9. Укажите, почему бронзу часто применяют как антифрикционный материал.

10. Какую термическую обработку проходят бериллиевые бронзы и где они применяются?

11. Какие требования предъявляются к антифрикционным сплавам?

12. Укажите марки (состав), структуру и применение оловянных и свинцовых баббитов.