Мікроскопічне дослідження структури кольорових металів
ЦІЛЬ РОБОТИ Вивчення мікроструктури й властивостей, маркування й область застосування кольорових металів і сплавів, і встановлення зв'язки між структурою сплаву й відповідною діаграмою стану. Одержати практичну навичку мікроаналізу основних груп мідних сплавів - латуней і бронзи.
ПРИЛАДИ Й МАТЕРІАЛИ Мікроскоп металографічний. Колекція мікрошліфів .
Основні положення мікроструктура мідних сплавів
Мідь - це пластичний метал ясно-рожевого кольору, плавиться при 1083°С, має щільність 8,96г/см3 має гранецентрованими кубічними ґратами. Відмінна риса міді - її малий електроопір, висока теплопровідність, гарна корозійна стійкість у багатьох природніх середовищах (атмосфера, земля, морська й прісна вода). Остання властивість пояснюється як хімічною стійкістю самої міді (по електрохімічному потенціалу мідь активніша за водень), так і стійкістю продуктів, що утворюються, корозії.
Застосовується мідь звичайно у відпаленому стані. Структура відпалений-ний після деформації міді - рівновісні зерна з двійниками (рис. 1).
Рис. 1. Схематичне зображення мікроструктури міді
Межа міцності міді у відпаленому стані становить σb =250 МПа, відносне подовження 50%, відносне звуження 75%. Для зміцнення міді використовується наклеп. Шляхом наклепу можна довести σb до 450 МПа, але при цьому пластичність знижується.
Домішки впливають на механічні, технологічні й фізичні властивості міді. Розчинні домішки (Al, Sn, Zn і ін.) підвищують механічні властивості, але значно знижують електро - і теплопровідність. Нерозчинні домішки (РЬ, Bі) утворюють легкоплавкі евтектики, які утрудняють гарячу обробку тиском через горячеломкості. Домішки (S,0) утворюють тугоплавкі евтектики, які розташовуються по границях зерен, що приводить до появи крихкості міді. Мікроструктура литому міді поліедрична, зерниста (рис. 2a). Мікроструктура холоднодеформованої міді, підданої наступному рекристалізаційному відпал, така ж, але з наявністю двійників (рис. 2б).
Хімічний склад міді й властивості нормовані ДСТ 859-78. Мідь поставляють у м'якому (відпаленому) і твердому стані. Вона застосовується для виготовлення сплавів на мідній основі, струмопровідних деталей, фольги й т.п. (табл. 1).
Рис. 2. Мікроструктура міді (праворуч - схематичне зображення):
а) лита;
б) холоднодеформована, після рекристалізаційного відпалу.
Рис. За. Діаграма стану мідь - цинк.
Рис. 3б. Графік зміни механічних властивостей латуней, залежно від змісту цинку: 5 - відносної подовження; ob- межа міцності
Мідь і її сплави
Мідь має гранецентровані кубічні ґрати. Питома вага міді 8,94г/см3, температура плавлення 1083ос. Вона має високу теплопровідність, електропровідність, пластичність у гарячому й холодному станах і широко застосовується в різних областях техніки. Крім того, мідь є основою найважливіших сплавів - латуней і бронзи.
Латуні
Латуні являють собою подвійні або багатокомnонентні мідні сплави, у яких цинк є основним легуючим комnонентом. Цинк здатний розчинятися в міді у твердому стані до 39% (рис. 5а).
За структурою латуні діляться на дві групи:
сплави зі змістом цинку до 39% є однофазними зі структурою твердого розчину цинку й міді (α);
сплави зі змістом цинку більш 39% мають двофазну структуру (α+β); β- твердий розчин на базі з'єднання CuZn з електронним типом зв'язку має кубічну об'ємно-центровану решітку (рис. 4.)
Рис. 4. Мікроструктура литої двофазної латуні
Твердий розчин Zn в Сu має кристалічні ґрати міді й називається α -фазою. При змісті цинку, що перевищує 39%, поряд з a - фазою утворюється β - фаза, що представляє собою твердий розчин на базі хімічної сполуки.
Кількість β - фази залежить від того, наскільки зміст цинку перевищує його межа розчинності в міді (39%). Тому латуні, що містять цинк до 39%, мають структуру, що полягає із зерен a - фази й називаються однофазними. Латуні зі змістом цинку більш, 39%, але менш 46% мають структуру, що полягає із зерен а й β - фази й ставляться до двофазних.
Мікроструктура литої однофазної латуні має дендритна будова (рис. 5а). Ця ж латунь після холодної обробки тиском і рекристалізаційного відпуску, має зернисту структуру з наявністю двійників (рис. 5б).
Рис. 5. Мікроструктура однофазної латуні (праворуч – схематичне зображення): а) вилита, б) деформована і відпалена
Мікроструктура литий двофазної α+β - латуні складається зі світлих зерен a - фази й темних зерен b - фази. У деформованої й відпаленої α+β - латуні на зернах a - фази є її двійники (рис. 6).
Таким чином, латуні, що містять від 39 до 46% Zn, мають двофазну структуру α+β і мають низьку пластичність, тому вони добре обробляються тиском лише в гарячому стані, на відміну від α - латуні ,яка добре обробляється в холодному стані.
За технологічною ознакою латуні підрозділяють на ливарні й оброблювані тиском. Фізичні й механічні властивості латуней, оброблюваних тиском, нормуються ГОСТ 15527-70. Подвійні латуні маркіруються буквою Л та числом, що характеризують середній зміст міді в сплаві (табл. 2).
Для підвищення міцності, корозійної стійкості й деяких спеціальних властивостей розроблені спеціальні багатокомnонентні латуні. Склад складних латуней відбивається в її марці, де більші букви А, H, Мц, К, О, Ж позначають відповідно алюміній, нікель, марганець, кремній, олово, залізо, а цифри, що випливають після змісту міді, показують процентний вміст даного металу в сплаві.
Марганець поліпшує стійкість латуней у морській атмосфері(ЛМЦ58-2). Кремній різко зміцнює латуні, також підвищує корозійну стійкість (ЛК80-3). Більш складні по складу латуні містять спільно алюміній (до 2%), залізо, нікель, марганець, кремній (по 1-3%). Відмінна риса цих сплавів ще більш висока міцність і стійкість у різних середовищах. До цієї групи сплавів ставиться латунь ЛЖМЦ59-1-1.
Рис. 6. Мікроструктура двофазної латуні (праворуч - схематичне зображення): а) лита; б) після деформації й відпуск
Для поліпшення обробки різанням (гостріння, свердління та ін.) у деякі подвійні латуні вводять свинець (ЛС59-1). Він не розчиняється в міді й у структурі розподілений у вигляді окремих включень. При обробці різанням латуні, у структурі якої є дрібні рівномірно розподілені включення свинцю, виходить сипуча, а не кручена стружка. Це не тільки полегшує процес обробки різанням, але й дозволяє одержувати чисту без загусениців відпрацьовану поверхню. У табл. 3 наведені приклади спеціальних латуней, оброблюваних тиском.
Ливарні латуні нормуються за ГОСТ 17711-93, вони містять ті ж елементи, що й латуні, оброблювані тиском, від останніх ливарні латуні відрізняє, як правило, більше легування цинком і іншими металами. Внаслідок малого інтервалу кристалізації ливарні латуні мають гарні ливарні характеристики. У марці ливарної латуні вказується зміст цинку. Наприклад: ЛЦ40С - ливарна латунь, що містить 40% Zn і 1% Pb. У таблиці 4 зазначені склад і область застосування сплавів цієї групи.
Бронзи
Бронзами називають сплави міді, у яких цинк і нікель не є основними легуючими елементами.
Назва бронзам дають за назвою основного легуючого елемента, наприклад, олов'яна, алюмінієва й т.п. Окремі бронзи як легуючого комnонента містять цинк, але він не є основним. Але фазовому складу бронзи ділять на однофазні й двофазні. Однофазні бронзи складаються із зерен твердого розчину легуючих елементів у міді, називаного a - фазою. За технологічною ознакою бронзи, як і латуні, ділять на 2 групи: ливарні й деформуємі. Лита однофазна бронза має структуру неоднорідного твердого розчину, тобто дендритну структуру. Дендрити будь-якого сплаву завжди збагачені більш тугоплавким комnонентом, а міждендритні обсяги - більш легкоплавким. Схеми мікроструктури литий і деформованої однофазних бронз аналогічні відповідним до схем латуні (рис. 3). У двофазних бронзах поряд з a - фазою присутні кристали більш твердої хімічної сполуки тієї або іншої природи, які можуть бути присутнім у структурі або у вигляді окремих кристалів, або бути складовою частиною евтектоїда. Наприклад мікроструктура литої двофазної бронзи Бра10 складається з наступних структурних складових - світлих ділянок a - фази (це твердий розчин алюмінію в міді) і темних ділянок евтектоїдної суміші a - фази й хімічної сполуки (рис. 7).
Рис. 7. Мікроструктура литої двофазної бронзи (праворуч - схематичне зображення)
Олов'яні бронзи - це сплави міді з оловом, які можуть містити, добавки фосфору, свинцю, цинку, нікелю й інших легуючих елементів. Володіючи достатньою міцністю, вони мають високу корозійну стійкість (особливо в морській воді), гарні антифрикційні властивості низький коефіцієнт тертя, високий опір зношування. Невеликі добавки фосфору (0,1 - 0,4%) в олов'яні бронзи вводять із метою їх розкислення. Добавки цинку поліпшують ливарні властивості (внаслідок зменшення інтервалу кристалізації), а добавки свинцю -антифрикційні властивості.
Характер взаємодії міді з оловом при їхній сплавці визначається діаграмою стану мідь-олово (малюнок 8).
Рис. 8. Діаграма стану Cu-Sn
Широка область а- твердих розчинів, зазначена на діаграмі суцільною лінією, характерна тільки лише для рівноважних сплавів. У реальних умовах охолодження при литті в металеві й земляні форми ця область значно звужується (пунктирна лінія).
Алюмінієві бронзи містять звичайно добавки марганцю, заліза, нікелю, свинцю. Марганець поліпшує корозійну стійкість, нікель і залізо міцнісні властивості, свинець - антифрикційні властивості й оброблюваність різанням алюмінієвих бронз.
Крім олов'яних і алюмінієвих бронз у суднових механізмах застосовуються кременисті й берилієві бронзи. Останні близькі до алюмінієвих бронзам за значенням властивостей і технологічним характеристикам. У табл. 6 зазначені області застосування бронз, оброблюваних тиском.
Більшість ливарних олов'яних бронз застосовується для виготовлення відповідальних виливків. Виливка з алюмінієвих бронз звичайно одержують литтям у кокіль або піщані форми. Зверніть увагу на особливість маркування ливарних бронз (табл. 7).
Сплави на основі міді зі змістом до 9,8% мають однофазну структуру твердого розчину алюмінію в міді (а) (малюнок 9). При більших концентраціях алюмінію сплави мають двофазну структуру, що полягає із твердого розчину (а) і евтектоїда (а+γ'). Фаза в є твердим розчином на основі електронного з'єднання Cu32All9 зі складними кубічними ґратами (малюнок 9).
Рис. 9. "Мідний" ділянка діаграми стану Cu-Al
Рис. 10. Мікроструктура литому бронзи Бра10
На рис. 11 показана структура алюмінієвої бронзи, що полягає із зерен твердого розчину а (світле тло) і евтектики а+γ (темне тло); γ- фаза представляє хімічну сполуку CuAl2.
Рис. 11. Алюмінієва бронза (х120): а) структура (травник - соляна кислота щільністю 1,19); б) схематичне зображення
Складнолеговані алюмінієві бронзи, крім зазначених структурних складових, містять крапкові включення залізної складової, рівномірно розподіленої по всьому шліфу на світлому тлі а-фази.
Більшість алюмінієвих бронз ставиться до термічно незміцнюваним сплавам, деформуємі напівфабрикати піддають до- і рекристалізаційному відпалу. Складнолеговані (Nі, Fe) бронзи є термічно зміцнюємими й до них застосовують термічну обробку, що полягає із загартування й відпустки.
Берилієва бронза має винятково коштовні якості, діаграма стану цієї системи наведено на малюнку 12. Вона має високу міцність і твердість, підвищена межа пружності й утоми. Берилієва бронза є коштовним пружинним матеріалом, вона з успіхом застосовується для виготовлення деталей, що працюють на зношування. Цей матеріал не дає іскор при ударі, крім того, він не намагнічується. Більшу частину продукції з берилієвої бронзи випускають у вигляді деформованих напівфабрикатів. Берилієва бронза є також гарним ливарним матеріалом.
Рис. 12. Діаграма стану Cu-Be
Найбільш високі механічні властивості мають сплави з 2,0-2,5% берилію. Як видно з діаграми стану, вони є дисперсно-твердіючими. Розчинність берилію в міді при кімнатній температурі не перевищує 0,2%. Загартування з 800ос фіксує пересичений розчин берилію в міді. Наступне штучне старіння при 300 - 350°С приводить до різкого підвищення твердості й міцності, яке пов'язане з виділенням із твердого розчину в (CuBe) - фази у формі дисперсних включень. Широкому поширенню берилієвої бронзи перешкоджає її висока вартість і дефіцитність.
Свинцювата бронза. Сплави міді зі свинцем (свинцюваті бронзи) мають широке застосування як підшипникові матеріали. Найбільше поширення одержала свинцювата бронза зі змістом 30% свинцю (Брс30). Структура такої бронзи складається із зерен міді (основне світле поле) і включень свинцю (темні ділянки, рис. 13). Свинець, як ми вже відзначали, практично не розчиняється в міді. Мідь виконує функції несучого навантаження каркаса, а свинець відіграє роль змащення (під навантаженням свинець видавлюється на несучу поверхню).
Рис. 13. Свинцювата бронза (х200)%: а) структура (травник -
розчин аміаку (25%, 1 частина) з перекисом водню (3%, 1 частина за обсягом)); б) схематичне зображення
Порівнюючи властивості окремих видів бронз, слід зазначити, що олов’янисті бронзи відрізняються меншим коефіцієнтом усадки; алюмінієва й кремениста мають більш високі міцнісні властивості; алюмінієва бронза відрізняється більш високою хімічною стійкістю, чому олов’яниста. Найкращу текучість має кремнієвоцинкова бронза. Максимальна твердість і пружність характерна для берилієвої бронзи Брб2 зі змістом берилію Be=2%.
ЗМІСТ ЗВІТУ
1. Назва
2. Ціль роботи.
3. Графік зміни механічних властивостей латуней (рис. 2б).
4. Схеми мікроструктури заданих латуней. Їхній хімічний склад, механічні властивості, застосування.
5. Схеми мікроструктури заданих бронз у литому стані. Їхній хімічний склад і застосування.
6. По стандартах і довідникам описати марки сплавів, їх хімічний склад, властивості й застосування. Марки міді і її сплавів: М00, М0б, М2р, М3, Мнжмцз0-1-1, МН19, ЛА77-2, Л0Мш70-1-0,05, ЛС59-1, ЛЖМЦ59-1-1, ЛЦ38Мц2С2, ЛЦ16ДО4, Бра9ЖЗЛ, Брсз0, Брмц5.
7. Визначити по марках фазові перетворення при охолодженні мідних сплавів: Л90, Л80, Л70, Л60, Л68, Бра5, Cu-10% Al, Cu-5% Sn, Cu-10% Sn, Брс30, Cu-13% Sn, МН19; формування структури з визначенням фазових і структурних складових у різних темnературних інтервалах.
8. Висновки.