Контрольные вопросы

1. Какие существуют виды труб большого диаметра?

2. Какие преимущества спиральношовных труб?

3. Какой режим термической обработки труб?

4. Какие коррозионностойкие и хладостойкие марки сталей используют для изготовления газонефтепроводов?

5. Что показывает обозначение К34, К38, К42 и т.д. и в чём отличие?

6. Каким испытаниям при различных температура подвергают стали для труб газонефтепроводов?

7. Пример обозначения материала трубы и технических требований.

8. По каким критериям изменяют требования по механическим свойствам материала трубы?

9. Что недопустимо на поверхности основного материала труб?

Глава 6 Цветные металлы и сплавы.

6.1 Медь и её сплавы

Медь относится к самым распространенным цветным металлам. Она обладает высокими антикоррозийными свойствами как при нормальных атмосферных условиях, так в пресной и морской воде и других агрессивных средах. Однако медь не устойчива в аммиаке и сернистых газах.

Медь – металл розовато-красного цвета, плотность медь 8,95 г/см3, температура плавления 1083 °С. Медь кристаллизуется в гранецентрированной решетке (рис.6.1) и не имеет полиморфных превращений.

Рис.6.1 Кристаллическая решётка меди

На воздухе при наличии влаги и углекислого газа медь медленно окисляется, покрываясь пленкой так называемой патины зеленого цвета, которая является щелочным карбонатом меди (Сu0Н)₂ С0₃. Эта пленка в определенной мере защищает медь от дальнейшей коррозии (рис.6.2).

Рис.6.2 Медный слиток

Чистая медь обладает высокой электрической проводимостью (на втором месте после серебра). Медь принято считать эталоном электрической проводимости и теплопроводности по сравнению с другими металлами.

Медь легко поддаётся обработке давлением и пайке. Обладая невысокими литейными свойствами, медь тяжело режется и плохо сваривается. На практике медь используется в виде прутков, листов, проволоки, шин и труб (рис.6.3).

Медь бывает разных марок: М00, М0, М1, М2 и М3. Марки меди определяются чистотой её содержания.

Марка меди	М00	М0	М0б	М1	М1р	М2	М2р	М3	М3р	М4
Процентное содержание меди	99,99	99,95	99,97	99,90	99,90	99,70	99,70	99,50	99,50	99,00

В меди марок М1р, М2р и М3р содержится 0,01% кислорода и 0,04% фосфора. В составе меди марок М1, М2 и М3 процентное содержание кислорода составляет 0,05-0,08 %.

Марка М0б характеризуется полным отсутствием кислорода. Процентное содержание кислорода в марка МО составляет до 0,02%.

Рис.6.3 Изделия из меди

Влияние примесей на свойства меди.

В зависимости от того, как примеси взаимодействую с медью, они подразделяются на три группы:

1. Примеси, которые образуют с медью твёрдые растворы – никель, сурьма, алюминий, цинк, железо, олово и др. Эти примеси оказывают существенное влияние на электропроводность и теплопроводность меди, снижая их. Ввиду этого в качестве проводников тока используют медь М0 и М1, в состав которых входит не более 0,002 As и 0,002 Sb. Горячая обработка давлением затрудняется, если в ней содержится сурьма.

2. Примеси, которые практически не растворяются в меди – висмут, свинец и др. практически не влияют на электропроводность меди, но затрудняют её обработку давлением.

3. Хрупкие химические соединения, образующиеся в примеси меди с серой и кислородом. Кислород, входящий в состав меди, в значительной мере снижает её прочность и уменьшает электропроводимость. Сера способствует улучшению обрабатываемости меди резанием.

Термическая обработка меди.

Медь применяют для производства листов, ленты, проволоки методом холодной деформации. В процессе деформации она теря­ет пластичность и приобретает упругость. Потеря пластичности затрудняет прокалку, протяжку и волочение, а в некоторых слу­чаях делает невозможной дальнейшую обработку металла (рис.6.4).

Рис.6.4 Изделия из меди полученные путём деформации и резанием

Для снятия нагартовки или наклепа и восстановления пласти­ческих свойств меди проводят рекристаллизационный отжиг по режиму: нагрев до температуры 450—500° С со скоростью 200—220° С/ч, выдержка в зависимости от конфигурации и массы изделия от 0,5 до 1,5 ч, охлаждение на спокойном воздухе. Струк­тура металла после отжига состоит из равноосных кристаллов. У обычной электролитической меди кристаллическая структура содержит вкрапления оксидов меди, как бы дробящие ее на индивидуальные острова-кристаллы (рис.6.5).

Рис.6.5 Структура обычной электролитической меди

Механические характеристики после рекристаллизационного отжига: прочность Ϭ_в=190 МПа, относительное удлинение δ = 22%.

На основе меди образо­вывают технические сплавы — латунь и бронза.

Латунь. Сплав меди с цинком называют латунью. Различают двухкомпонентные (простые) латуни, состоящие только из меди, цинка и некоторых примесей, и многокомпонентные (специальные) латуни, в которые вводят еще один или несколько легирующих элементов (свинец, кремний, олово) для придания сплаву тех или иных свойств.

Влияние Zn на структуру и свойства латуней. Медь с цинком образует α – твердый раствор с предельной концентрацией цинка 39% (рис.6.5, а). При большем содержании цинка образуется электронное соединение CuZn (β – фаза) с кристаллической решеткой ОЦК.

При 454–468°С (штриховая линия на диаграмме) наступает упорядочение β – фазы (β'-фаза), сопровождающееся значительным повышением ее твердости и хрупкости. В отличие от равновесного состояния, β'-фаза появляется в структуре латуней при содержании цинка около 30%.

а б

Рис.6.5 Диаграмма состояния системы Сu – Zn (а) и влияние цинка на механические свойства латуней (б)

 В соответствии с изменением структуры меняются механические свойства латуней (рис.6.5, б):

• когда латунь имеет структуру α – твердого раствора, увеличение содержания цинка вызывает повышение ее прочности и пластичности;

• появление β – фазы сопровождается резким снижением пластичности, прочность продолжает повышаться при увеличении цинка до 45%, пока латунь находится в двухфазном состоянии;

• переход латуни в однофазное состояние со структурой β' – фазы вызывает резкое снижение прочности.

Практическое значение имеют латуни, содержащие до 45% Zn.

Двойные латуни по структуре подразделяют на две группы:

1. Однофазные со структурой α – твердого раствора (рис.6.6, а);

2. Двухфазные со структурой α +β – фаз (рис.6.6, б). 

а б

Рис. 6.6 Микроструктуры латуней:

а – однофазной; б – двухфазной (темная β – фаза, светлая α – фаза)

 В связи с высокой пластичностью однофазные латуни хорошо поддаются холодной пластической деформации, которая значительно повышает их прочность и твердость. Рекристаллизационный отжиг проводят при 600–700°С.

Сплавы с большим содержанием цинка отличаются высокой хрупкостью. Химический состав некоторых промышленных латуней и их назначения приведены в табл. 1.

Таблица 1

марка	химический состав						назначение
	Cu	Al	Pb	Sn	другие
Латуни пластичные (однофазные), деформируемые в холодном и горячем состоянии
Л96 (томпак)	95,0–97,0					Трубки радиаторные, листы, ленты.
Л80 (полутом­пак)	79,0–81,0					Трубки, лента, проволока.
Л68	67,0–70,0					Листы, ленты для глубо­кой вытяжки.
Латуни меньшей пластичности (двухфазные), деформируемые в горячем состоянии и литейные.
ЛС59–1	57,0–60,0		0,8–1,9			Листы, трубы, литье; хорошая обрабатывае­мость резанием.

Двухкомпонентные латуни в зависимости от способа обработки подразделяют на деформируемые и литейные.

Деформируемые двухкомпонентные латуни (Л96, Л90, Л80, Л63 и др.) обладают высокой пластичностью и хорошо обрабаты­ваются давлением, их используют для изготовления листов, лен­ты, полос, труб, проволоки и прутков разного профиля.

Литейные латуни применяют для отливки фасонных деталей. В процессе холодной обработки давлением двухкомпонентные ла­туни, как и медь, получают наклеп, вследствие которого возраста­ет прочность и падает пластичность. Поэтому такие латуни под­вергают термической обработке — рекристаллизационному отжигу по режиму: нагрев до 450—650° С, со скоростью 180—200° С/ч, выдержка 1,5—2,0 ч и охлаждение на спокойном воздухе. Проч­ность латуни после отжига Ϭ_в= 240 – 320 МПа, относительное уд­линение δ = 49-52%.

Латунные изделия с большим внутренним напряжением в ме­талле подвержены растрескиванию (рис.6.7). При длительном хранении на воздухе на них образуются продольные и поперечные трещины. Чтобы избежать этого, изделия перед длительным хранением под­вергают низкотемпературному отжигу при 250—300° С.

Рис.6.7 Разрушение латунных изделий

Наличие в многокомпонентных (специальных) латунях легирующих элементов (марганца, олова, никеля, свин­ца и кремния) придает им повышенную прочность, твердость и высокую коррозионную стойкость в атмосферных условиях и мор­ской воде. Наиболее высокой устойчивостью в морской воде обла­дают латуни, легированные оловом, например, ЛО70-1, ЛА77-2 и ЛАН59-3-2, получившие название морской латуни, их применяют в основном для изготовления деталей морских судов.

Деформируемые латуни используют для получения полуфабрикатов (листов, труб, ленты), пружин, деталей часов и приборов. Литейные многокомпонентные латуни применяют для изготовления полуфабрикатов и фасонных деталей методом литья (гребные винты, лопасти, детали арматуры и т.п.). Требуемые механические свойства специальной латуни обеспечи­вают термической обработкой их, режимы которой приведены в табл.2. Для получения мелкого зерна перед глубокой вытяжкой деформируемые латуни для листов, лент, полос подвергают от­жигу при температуре 450—500° С.

Таблица 2