Материаловедение

Медь – металл красного (в изломе розового) цвета. Тяжелый цветной металл (ρ = 8,89 г/см3) с ГЦК решеткой (а = 0,36074 нм). Не имеет полиморфных превращений. Обладает высокой электрической проводимостью (на втором месте после серебра), пластичностью, коррозионной стойкостью в пресной и морской воде, а также в ряде химических сред.

Медь обладает отличной обрабатываемостью давлением в холодном и горячем состоянии, хорошими литейными свойствами и удовлетворительной обрабатываемостью резанием.

На воздухе при наличии влаги и углекислого газа медь медленно окисляется, покрываясь пленкой так называемой «патины» зеленого цвета, которая является щелочным карбонатом меди (CuOH)2CO3. Эта пленка защищает

медь от дальнейшей коррозии.

Медь и ее сплавы являются традиционными материалами, используемыми в технике низких температур. Применение меди и ее сплавов обусловлено их высокими характеристиками механических свойств при низких температурах, хорошей коррозийной стойкостью и высокой теплопроводностью.

Характеристики основных физико-механических свойств меди

Все примеси, особенно входящие в твердый раствор, снижают электропроводность меди. Наиболее сильно уменьшают электропроводность примеси P, As, Al, Sn. Вредными примесями, снижающими механические и технологические свойства меди и ее сплавов, являются Bi, Pb, S и O. Свинец и

висмут ничтожно растворимы в меди и образуют по границам зерен легкоплавкие эвтектики, что приводит к красноломкости. Сера и кислород

также нерастворимы в меди и образуют эвтектики Cu - Cu2S и Cu - Cu2O, но красноломкость они не вызывают, так как их температура плавления (1067 °С и 1065 °С соответственно) выше температур горячей обработки давлением. Однако эти эвтектики весьма хрупкие, и их наличие даже в небольших количествах приводит к снижению пластичности.

Особо вредной примесью является кислород, если медь нагревают в атмосфере, содержащей водород. Атомы водорода быстро диффундируют вглубь металла и восстанавливают оксид меди Cu2O + H2 = 2Cu + H2O. Пары

воды создают высокое давление, что приводит к вздутиям, разрывам и трещинам. Это явление называется «водородной болезнью» меди.

Содержание вредных примесей в меди строго ограничено.

Прочность меди может быть увеличена в результате холодной пластической деформации с высоким обжатием (~ 60…70 %), что приводит к упрочнению до уровня в= 450 МПа, но при этом сильно снижается пластичность ( 5 %).

Процесс скольжения при пластической деформации в кристаллах меди развивается по плоскостям {111} в направлении <110>. После холодной прокатки медь имеет простую основную текстуру {110} <112>. После волочения вдоль проволоки преимущественным направлением будет <111>, а также, но в меньшей степени, направление <100>.

При нагреве деформированной меди в области температур 130…150 °С происходит явление полигонизации, сопровождающееся повышением электропроводности за счет аннигиляции вакансий; при более повышенной температуре наблюдается начало рекристаллизации. Температура этого процесса тем ниже, чем выше была степень предшествующей пластической деформации. В реальных условиях обработки меди рекристаллизационный отжиг проводят при 300…350 °С. После рекристаллизации в меди формируется кубическая текстура типа {100} <001>, степень совершенства которой тем выше, чем больше была величина обжатия при предшествующей холодной пластической деформации.

Классификация сплавов на основе меди

Наиболее распространенные легирующие элементы в меди – Zn, Al, Sn, Fe, Si,

Mn, Be, Ni. Они повышают прочностные свойства меди.

Медные сплавы делятся на латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы.

Латунями называют сплавы меди, в которых главным легирующим элементом является Zn. Их маркируют буквой Л и числами, характеризующими среднее содержание легирующих элементов. Например, латунь Л80 содержит 80 % Cu и 20 % Zn. Если латунь легирована, помимо цинка, другими элементами, то после буквы Л ставят условное обозначение этих элементов: С – Pb; О – Sn; Ж – Fe; А – Al; К – Si, Мц – Mn, Н – Ni. Числа после букв указывают среднее содержание каждого легирующего элемента в латуни, кроме цинка. Содержание цинка определяется по разности до 100%. Например, латунь

ЛАЖМц66-6-3-2 – 66 % Cu, 6 % Al, 3 % Fe, 2 % Mn и 23 % Zn.

Бронзами называют все сплавы меди, кроме латуней и медно-никелевых

сплавов. По основным легирующим элементам их подразделяют на

оловянные, алюминиевые, бериллиевые, свинцовые, кремнистые и т. д. Бронзы маркируют буквами Бр, затем указывают основные легирующие элементы и их содержание в сплаве так же, как для латуней. Zn в бронзах маркируют буквой Ц, фосфор – Ф, бериллий – Б, хром – X.

Например, бронза БрАЖМц10-3-1,5 – 10 % Al; 3% Fe; 1,5% Mn, остальное Cu.

Латуни

Структура и свойства латуней определяются диаграммой состояния Cu – Zn. В системе Cu – Zn имеется пять перитектических превращений, в результате которых образуются пять фаз , , , и . Растворимость цинка в меди очень велика и с понижением температуры возрастает и составляет 32,5 % при 902 °С и 39 % при 454 °С. С понижением температуры раствори- мость цинка в меди уменьшается (до 36 % при комнатной температуре).

Латуни со структурой -фазы пластичны, отличаются высокой технологичностью, поддаются горячей

ихолодной обработке давлением.

Сувеличением содержания цинка возрастают прочность и относительное удлинение. δ достигает максимального значения при 30…32 % Zn, а затем когда появляется -фаза резко уменьшается. σв возрастает до 45…47 % Zn, но

как только -фаза полностью сменяет -фазу, оно резко снижается.

Стабильная при высоких температурах, -фаза очень пластична, а образующаяся из нее при охлаждении '-фаза с упорядоченной структурой, наоборот, хрупка. Поэтому пластичность -латуней с '-структурой при комнатной температуре очень мала, и при содержании около 50 % Zn и более они не поддаются холодной обработке давлением. По указанным выше причинам в промышленном масштабе применяют лишь - и ( + ) -латуни.

Микроструктура -латуней после деформации и отжига полиэдрическая с большим количеством двойников; их в -латунях больше, чем в меди, из-за более низкой энергии дефектов упаковки. Структура двухфазных латуней представлена светлыми кристаллами -фазы и темными кристаллами -фазы. Структура -латуней после отжига представлена полиэдрами -фазы.

Холодная деформация приводит к существенному повышению прочности латуней при одновременном очень резком снижении пластичности. Отжиг нагартованного металла при температурах выше 400 °С снимает наклеп.

Для улучшения свойств латуни дополнительно легируют Al, Mn, Fe, Ni, Sn, Pb, Si, которые вводят в небольших количествах (1…2 %).

В промышленности применяют деформируемые и литейные латуни. Латуни разделяют на простые, легированные только Zn, и специальные, которые

содержат дополнительно один или несколько элементов. Специальные латуни называют по основному дополнительному элементу: алюминиевые, кремнистые, марганцевые, никелевые, оловянные, свинцовые.

Оловянные бронзы

В реальных условиях охлаждения оловянные бронзы состоят из фаз и Cu31Sn8. Применяют только сплавы с содержанием до 10…12 % Sn. Сплавы, богатые Sn, очень хрупки. Оловянные бронзы имеют большой интервал температур кристаллизации и поэтому

склонны к ликвации.

Различают деформируемые и литейные оловянные бронзы. Деформируемые бронзы содержат 4…6 % Sn, до 0,4 % Р, до 4 % Zn и до 2,5 % Pb. Они предназначаются для пружин и пружинящих деталей. Структура деформированных оловянных бронз - твердый раствор.

Литейные бронзы, содержащие большое количество цинка, фосфора и свинца, имеют двухфазную структуру -твердый раствор и твердые, хрупкие включения -фазы.

Бронзы обладают невысокой жидкотекучестью, малой линейной усадкой, высокой коррозионной стойкостью и хорошими антифрикционными свойствами.

Алюминиевые бронзы могут быть как двойными (например, БрА5), так и дополнительно легированными Ni, Mn, Fe и др. Бронзы, содержащие до 4…5 % Аl, характеризуются высокой пластичностью. При ускоренном охлаждении сплавов с 6…8 % Аl в структуре наряду с пластичным -твердым раствором алюминия в меди появляется твердая, хрупкая '-фаза (Сu32Аl19). Поэтому двухфазные сплавы обладают более высокой прочностью, но пониженной пластичностью по сравнению с однофазными. Алюминиевые бронзы хорошо обрабатываются давлением, коррозионностойки, имеют высокие механические свойства, хорошие литейные свойства. Многокомпонентные бронзы, содержащие > 9…11 % Аl, упрочняются закалкой и старением. Алюминиевые бронзы прежде всего используются в качестве заменителей оловянных. Из них изготавливают шестерни, втулки, подшипники, пружины, детали электрооборудования.