Методические указания к лабораторным работам по курсу "Металловедение и термическая обработка"

Рябикина М. А., Щеглова А. М.

Мариуполь: ПГТУ, 2008 г.

ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Цветные металлы и сплавы можно разделить на следующие группы:

1) тяжёлые металлы и сплавы - медь и её сплавы;

2) лёгкие металлы и сплавы - алюминий и его сплавы;

3) антифрикционные сплавы или баббиты.

Медь - это пластичный металл светло-розового цвета, плавится при 1083°С, имеет плотность 8,96 г/см³ обладает гранецентрированной кубической решеткой. Отличительная особенность меди ее малое электросопротивление, высокая теплопроводность, хорошая коррозионная стойкость во многих естественных средах (атмосфера, земля, морская и пресная вода).

Примеси оказывают существенное влияние на механические, технологические и физические свойства меди. Микроструктура литой меди полиэдрическая, зернистая (рис. 1а). Микроструктура холоднодеформированной меди, подвергнутой последующему рекристаллизационному отжигу, такая же, но с наличием двойников (рис. 1б).

Рис. 1. Микроструктура меди (справа - схематическое изображение):

а) литая;

б) холоднодеформированная, после рекристаллизационного отжига

Латуни представляют собой двойные или многокомпонентные медные сплавы, в которых цинк является основным легирующим компонентом. Цинк способен растворяться в меди в твердом состоянии до 39 % (рис. 2).

Твердый раствор Ζn в Сu имеет кристаллическую решетку меди и называется α -фазой. При содержании цинка, превышающем 39 %, наряду с α -фазой образуется β -фаза, представляющая собой твердый раствор на базе химического соединения.

Латуни, содержащие цинк до 39 %, имеют структуру, состоящую из зерен α -фазы и называются однофазными. Латуни с содержанием цинка более, 39 %, но менее 46 % имеют структуру, состоящую из зерен а и b -фазы и

относятся к двухфазным.

Рис. 2 - Диаграмма состояния медь-цинк

Микроструктура литой однофазной латуни имеет дендритное строение (рис. За). Эта же латунь после холодной обработки давлением и рекристаллизационного отжига, имеет зернистую структуру с наличием двойников (рис. 36).

а)

б)

Рис. 3 - Микроструктура однофазной латуни

(справа - схематическое изображение): а) литая; б) деформированная и отожженная.

Микроструктура литой двухфазной α + β - латуни состоит из светлых зерен α -фазы и темных зерен β -фазы. В деформированной и отожженной α + β -латуни на зернах α -фазы имеются ее двойники (рис. 4).

Таким образом, латуни, содержащие от 39 до 46 % Ζn, имеют двухфазную α + β -структуру и обладают низкой пластичностью, поэтому они хорошо обрабатываются давлением лишь в горячем состоянии, в отличие от α -латуни ,которая хорошо обрабатывается в холодном состоянии.

По технологическому признаку латуни подразделяют на литейные    и    обрабатываемые    давлением.    Двойные    латуни

маркируются буквой Л и числом, характеризующим среднее содержание меди в сплаве (Л90, Л85, Л80, Л70, Л62 и др.).

Для повышения прочности, коррозионной стойкости и некоторых специальных свойств разработаны специальные многокомпонентные латуни.

б)

Рис. 4. Микроструктура двухфазной латуни (справа - схематическое изображение):

а) литая; б) после деформации и отжига

Бронзами называются сплавы меди со всеми элементами, кроме цинка. В зависимости от введенного элемента бронзы называются: оловянистые, свинцовистые, алюминиевые и др.

Одним из наиболее известных сплавов являются оловянистые бронзы. Практическое применение в машиностроении имеют сплавы меди с оловом, содержащие 12% Sn. Бронзы могут быть однофазные и двухфазные.

Структура однофазной бронзы представляет собой α-фазу -твёрдый раствор Sn в Сu при содержании Sn 5-6 %. Тёмные области - места, обогащенные медью, являются осями дендритов; светлые области - места обогащенные оловом. Оловянистая бронза очень сильно склонна к ликвации. Поэтому литой сплав имеет неодинаковую травимость. Если литой сплав с дендритной структурой твёрдого раствора α подвергнуть отжигу, то образуются однофазные зёрна.

Структура литых бронз при содержании 8-10% олова состоит из α -твёрдого раствора и эвтектоида. Эвтектоид состоит из (α + Cu₃₁Sn₈). Светлый фон - эвтектоид (α + Cu₃₁Sn₈), а тёмные

точечные включения - α-фаза. Оловянистые бронзы системы Cu-Sn можно обрабатывать давлением в горячем состоянии.

Рис. 5 - Микроструктура двухфазной бронзы БрО10

Среди металлов алюминий по распространенности в природе занимает первое место, по практическому использованию - второе (после железа). Алюминий - химический элемент, находящийся в третьей группе периодической системы Д.И. Менделеева. Атомный номер алюминия 13, атомная масса 26,98, температура плавления 660° С, плотность 2,7 г/см³, полиморфных превращений не имеет, обладает решеткой гранецентрированного куба. Постоянные примеси алюминия - Fe, Si, Cu, Zn и др. ухудшают все его свойства. Алюминий отличается от других металлов малой плотностью, высокими пластическими свойствами, высокими тепло- и электропроводимостью, а также отражательной способностью устойчив против атмосферной коррозии. Благодаря таким свойствам алюминий находит применение почти    во    всех    отраслях    промышленности авиационной,

строительной, химической и т.д.

Твёрдость и прочность алюминия невелика. В связи с этим в промышленности применяют сплавы алюминия, которые делятся на деформируемые и литейные, рис. 6.

Рис. 6 - Диаграмма состояния алюминий - легирующий элемент: 1-деформируемые, термически неупрочняемые сплавы; 2-деформируемые, термически упрочняемые сплавы

Деформируемые алюминиевые сплавы. Эти сплавы разделяются на две подгруппы:

1)сплавы, неупрочняемые термообработкой, структура которых состоит из однородного твёрдого раствора элементов Сu, Mg, Μn, Ni на основе Аl; упрочнение этих сплавов можно получить путём холодной обработки давлением;

2) сплавы, упрочняемые термообработкой, которые являются многокомпонентными сплавами типа дюралюмина.

Основным элементом дуралюминов является Сu почти до 5%, а остальные элементы Mg, Μη, Si, Fe до (0,5-0,7 %). Дюралюмин после специальной термической обработки (закалки и старения) имеет высокую прочность. В равновесном состоянии при комнатной температуре структура дюралюмина будет состоять из твёрдого раствора меди, магния, марганца и алюминия, а также большого количества химических соединений. После закалки будем иметь пересыщенный твёрдый раствор алюминия, который будет неустойчив и распадается при старении, рис. 7. После старения структура состоит из зёрен твёрдого раствора (светлый фон) и мельчайших частичек химического соединения, выпавших и скоагулированных во время старения (тёмные участки на шлифе).

Рис. 7 - Микроструктура дюралюмина после: а) закалки в воде с температуры; б) закалки и искусственного старения (справа - схематическое изображение)

Баббитами называются сплавы на основе олова и свинца. Лучшим баббитом на оловянной основе является сплав Б83, состоящий из 83% олова, 11% сурьмы и 6% меди. Структура баббитов состоит из тёмного основного фона - твёрдый раствор а, который является твёрдым раствором сурьмы в олове (мягкая основа) и белых крупных кристаллов, имеющих квадратную и треугольную форму (твёрдые частицы) - химического соединения SnSb. Белые иголки и звёздочки (твёрдые частицы) - химическое соединение Cu₃Sn, рис. 9.

Рис. 9 - Микроструктура баббита Б83 (справа - схематическое изображение)