ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 13 МИКРОАНАЛИЗ МЕДИ, ЛАТУНЕЙ И БРОНЗ

Цельработы

Изучить микроструктуры меди, латуней и бронз; установить связь между структурами и диаграммами состояния этих сплавов.

Приборы, материалыиинструмент

Металлографический микроскоп; коллекция микрошлифов меди, латуней и бронз; циркуль и линейка.

Краткиетеоретическиесведения

Медь – металл красновато-розового цвета, кристаллическая кубическая гранецентрированная решетка (ГЦК) с периодом а = 0,3608 нм, удельным весом р = 8,9 г/см, температурой плавления 1 083 °С, полиморфных превращений нет.

Медь – технологический металл. Она прокатывается в тонкие листы, ленту, из нее получают тонкую проволоку. Медь легко полируется, паяется и сваривается. Механические свойства меди приведены в табл. 13.1.

Медь характеризуется высокой теплопроводностью и электропроводностью, пластичностью и коррозионной стойкостью.

Примеси снижают все эти свойства. По ГОСТ 859-78 в зависимости от содержания примесей различают следующие марки меди: МОО (99,9 % Cu),

МО (99,97 Cu %), M1 (99,9 Cu %), M2 (99,7 Cu %), M3 (99,5 Cu %).

Наиболее часто встречающиеся в меди примеси подразделяют на три группы.

1.Растворимые в меди элементы – Al, Fe, Ni, Sn, Ag, повышающие прочность и твердость.

2.Нерастворимые элементы – Pb и Bi, ухудшающие свойства меди и однофазных сплавов на её основе.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 13 МИКРОАНАЛИЗ МЕДИ, ЛАТУНЕЙ И БРОНЗ

Краткие теоретические сведения

3. Нерастворимые примеси O, S, Se, Tl, присутствующие в меди и её сплавах в виде промежуточных фаз (например, Cu2O, Cu2S) [8].

Общаяхарактеристикаиклассификациямедныхсплавов

Кроме высокой теплопроводности, коррозионной стойкости, медные сплавы обладают хорошими механическими, технологическими и коррозионными свойствами.

Для легирования медных сплавов в основном используются элементы, растворимые в меди: Zn, Al, Be, Si, Ni. Повышая прочность сплавов, легирующие элементы практически не снижают, а некоторые из них (Zn, Al, Sn) увеличивают пластичность. Высокая пластичность – отличительная особенность медных сплавов. Относительное увеличение некоторых медных сплавов достигает 65 %. По прочности медные сплавы уступают сталям: σв = 1 100–1 200 МПа, что соответствует свойствам нелегированных сталей в нормализованном состоянии. И только временное сопротивление наиболее прочных бериллиевых бронз после закалки и старения находится на уровне среднеуглеродистых легированных сталей, подвергнутых термическому улучшению (σв = 1 100–1 200 МПа).

По технологическим свойствам медные сплавы подразделяют на деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные. По способности упрочняться с помощью термической обработки – на упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. По химическому составу медные сплавы делятся на две группы – латуни и бронзы.

Латунями называются сплавы меди с цинком. Они бывают двойными (простые) и многокомпонентными (легированные). Двойные деформируемые латуни маркируют буквой Л (латунь) и цифрой, показывающей содержание меди в процентах. В марках легированных латуней, кроме цифры, показывающей содержание меди, приводятся буквы и цифры, обозначающие название и количество в процентах легирующих элементов. Алюминий обозначают буквой А, никель – Н, олово – О, фосфор – Ф, железо – Ж, кремний – К, марганец – Мц, бериллий – Б, цинк – Ц. В марках литейных латуней указывается содержание цинка, количестве каждого легирующего элемента ставится непосредственно за буквой. Например, ЛЦ40Мц3А содержит – 3 % Mn, 40 % Zn, 1 % Al.

Бронзами называют сплавы меди со всеми элементами, кроме цинка. Название бронзам дают по основным элементам. Их подразделяют на оловянные, алюминиевые, бериллиевые и др. Деформируемые бронзы маркируют буквами Бр (бронза), за которыми следуют буквы, а затем цифры, обозначающие название и содержание легирующих элементов. В марках литейных бронз содержание каждого легирующего элемента ставится сразу после буквы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 13 МИКРОАНАЛИЗ МЕДИ, ЛАТУНЕЙ И БРОНЗ

Краткие теоретические сведения

Микроструктурамеди

Микроструктура деформированной и отожженной меди показана на рис. 13.1. Структура зернистая, с наличием двойников.

а б

Рис. 13.1. Деформированная и отожженная медь: а – микроструктура (х200);

б– схема микроструктуры

Вструктуре недостаточно хорошо раскисленной меди наблюдается закись меди, образующая с медью эвтектику, которая располагается по границам зёрен меди, имеет точечное строение (рис. 13.2) и придает ей хрупкость.

Рис. 13.2. Литая медь с содержанием 0,15 % кислорода. По границам зерен меди виднызначительныеучастки эвтектикиCu–Cu2О: а– микроструктура (х150); шлиф не травлен; б – схема микроструктуры

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 13 МИКРОАНАЛИЗ МЕДИ, ЛАТУНЕЙ И БРОНЗ

Краткие теоретические сведения

Рис. 13.3. Медь–цинк: а – диаграмма состояния медь–цинк; б – влияние цинка на механические свойства латуней

Микроструктуралатуней

Диаграмма состояния системы медь–цинк дана на рис. 13.3. Практическое применение находят однофазные латуни с содержанием цинка до 39 % (α-латуни) и двухфазные латуни с содержанием цинка от 39 до 45 % ((α + β)-латуни). Микроструктура α-латуней с содержанием 30 % цинка (Л70) по-

казана на рис. 13.4, рис. 13.5.

Рис. 13.4. Литаяα-латуньс30 % цинком(типЛ70): а– микроструктура(х150); б – схемамикроструктуры

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 13 МИКРОАНАЛИЗ МЕДИ, ЛАТУНЕЙ И БРОНЗ

Краткие теоретические сведения

Рис. 13.5. Деформированная иотожженнаяα-латунь: а– микроструктура(х100); б – схема микроструктуры

Микроструктура литой α-латуни имеет дендритное строение. Светлые участки – дендриты, богатые медью, затвердевшие первыми из жидкого состояния; темные участки – междендритные пространства, обогащенные цинком. Структура деформирована и отожженной α-латуни (рис. 13.5) имеет зернистое строение и характерные полоски двойников. Вследствие различной ориентировки зерен (анизотропии) они травятся с разной интенсивностью, поэтому получают различную окраску.

Рис 13.6. Литая (α + β)-латунь с 40 % цинка (типа Л63): а – микроструктура (х150); б – схема микроструктуры

Граница между однофазной – α-латунью и двухфазной α+β-латунью соответствует 39 % цинка (см. рис. 13.1). Микроструктура α+β-латуни с содержанием цинка 40 % в литом состоянии дана на рис. 13.6.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 13 МИКРОАНАЛИЗ МЕДИ, ЛАТУНЕЙ И БРОНЗ

Краткие теоретические сведения

Микроструктурабронз

Микроструктура оловянной бронзы. Часть диаграммы состоянии сис-

темы Сu–Sn приведена на рис. 13.7.

Сплошная линия характеризует состояние, получающееся при очень медленном охлаждении или отжиге после отливки; такие условия при обычной отливке не достигаются. Штриховая линия характеризует состояние, которое получается в обычных условиях отливки. Штриховая линия характеризует состояние, получающееся при очень длительном (тысячи часов) отжиге.

При содержании до 6–7 % Sn микроструктура литой бронзы состоит из неоднородного твердого α-раствора; строение дендритное.

Микроструктура этой бронзы после отжига представляет однородные по составу зерна твердого α-раствора (рис. 13.8).

При содержании больше 6–7 % Sn, но меньше 14 % (левее точки), например при содержании 10 % Sn, для равновесных условий должна быть структура твердого α-раствора, а для обычных условий отливки такая бронза будет иметь двухфазную структуру – неоднородного α-раствора и эвтектоида

α + Cu31Sn8.

Микроструктура такой бронзы (с содержанием 10 % Sn) в литом состоянии приведена на рис. 13.9. На светлом фоне химического соединения Cu31Sn8 видны темные точечные включения твердого α-раствора.

Рис. 13.7. Медь–олово: а – часть диаграммы состояния медь–олово; б – влияние олова на механические свойства бронз

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 13 МИКРОАНАЛИЗ МЕДИ, ЛАТУНЕЙ И БРОНЗ

Краткие теоретические сведения

Рис. 13.8. Деформированная и отожжённая оловянная бронза с 6 % Sn: а – микроструктура (х250); б – схема микроструктуры

Рис. 13.9. Литая оловянная бронза с 10 % Sn: а – микроструктура (х1 000); б – схема микроструктуры

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 13 МИКРОАНАЛИЗ МЕДИ, ЛАТУНЕЙ И БРОНЗ

Краткие теоретические сведения

Рис. 13.10. Медь–алюминий: а – часть диаграммы состояния медь–алюминий; б – влияние алюминия на механические свойства бронз

Микроструктура алюминиевой бронзы. Часть диаграммы состояния системы медь–алюминий приведена на рис. 13.10. При содержании до 9,8 % Al образуется α-фаза (однофазная бронза). Микроструктура такой бронзы (например, БрА5 с содержанием 5 % Al) после деформации и отжига состоит из зерен однородного раствора меди алюминия в меди (рис. 13.11).

Рис. 13.11. Алюминиевая бронза БрА5 после деформации и отжига: а – микроструктура (х250); б – схема микроструктуры

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 13 МИКРОАНАЛИЗ МЕДИ, ЛАТУНЕЙ И БРОНЗ

Краткие теоретические сведения

Рис. 13.12. Литая алюминиевая бронза БрАЖН 10-4-4: а – микроструктура (х500); б – схема микроструктуры

При содержании 10 % Al и более образуется α-фаза и эвтектоид α + γ' (двухфазная бронза). Микроструктура такой бронзы в литом состоянии показана на рис. 13.12; белые участки – α-фаза, тёмные – эвтектоиды α + γ'. Двухфазные алюминиевые бронзы могут подвергаться закалке и отпуску. Если такую бронзу нагреть до области существования β-фазы и затем охладить в воде, то образуется игольчатая структура, подобная мартенситу. Микроструктура закаленной алюминиевой бронзы БрАЖН 10-4-4 приведена на рис. 13.13.

Рис. 13.13. Закаленная алюминиевая бронза БрАЖН10-4-4: а – микроструктура (х500); б – схема микроструктуры

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 13 МИКРОАНАЛИЗ МЕДИ, ЛАТУНЕЙ И БРОНЗ

Краткие теоретические сведения

Рис. 13.14. Медь–бериллий: а – часть диаграммы состояния медь–бериллий; б – влияние бериллия на механические свойства бронз

Микроструктура бериллиевой бронзы. Часть диаграммы состояния системы медь–бериллий приведена на рис. 13.14. На диаграмме отмечены области существования кристаллов α, β и γ. Фаза γ является химическим соединением CuBe. В структуре литой бериллиевой бронзы (рис. 13.15) в междендритных пространствах α-твёрдого раствора видны включения эв-

тектоида [α + γ(CuBe)].

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 13 МИКРОАНАЛИЗ МЕДИ, ЛАТУНЕЙ И БРОНЗ

Краткие теоретические сведения

Рис. 13.15. Литая берилливая бронза БрБ2: а – микроструктура (х150); б – схема микроструктуры

Рис. 13.16. Берилливая бронза БрБ2 после закалки и старения: а – микроструктура (х250): б – схема микроструктуры.

Практически важным является то, что растворимость бериллия в меди уменьшается с 2,7 % при 866°С до 0,2 % при 300 ° С. При закалке в воде с 800 °С фиксируется неустойчивое состояние α-фазы, а при последующем старении при 300–350 °С из пересыщенного твёрдого раствора выделяются включения γ-фазы (CuBe), располагающиеся по границам и внутри зёрен и

α-фазы (рис. 13.16).

Порядоквыполненияработы

1.Изучить микроструктуры меди, латуней, бронз (оловянной, алюминиевой, бериллиевой) в литом, деформированном и в термически обработанном состоянии (в зависимости от сплава) наметаллографическом микроскопе.

2.Зарисовать микроструктуры рассматриваемых сплавов.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 13 МИКРОАНАЛИЗ МЕДИ, ЛАТУНЕЙ И БРОНЗ

Порядок выполнения работы

3.Начертить диаграммы состояния (или их части) сплавов меди с цинком, оловом, алюминием, свинцом, бериллием, провести на них линии, соответствующие рассматриваемым сплавам, и дать описание процессов превращений, происходящих при охлаждении сплавов.

4.Написать отчёт по работе в соответствии с пп. 2 и 3.

Заданияклабораторнойработе

1.Описать состав и физико-механические свойства латуни Л62.

2.Для изготовления деталей путем глубокой вытяжки применяется латунь Л80. Расшифровать состав, описать структуру и механические свойства сплава, назначение, режим промежуточной термической обработки между операциями вытяжки. Охарактеризовать механические свойства сплава.

3.Для деталей арматуры выбрана бронза БрОЦС4-4-2,5. Расшифровать состав, описать структуру и механические свойства сплава, объяснить назначение легирующих элементов.

4.Описать влияние цинка на свойства меди.

5.Указать различие в микроструктуре, механических и технологических свойствах однофазной и двухфазной латуни и области их применения.

6.Для изготовления прутков выбрана латунь ЛС59-1. Расшифровать

еесостав, описать структуру. Описать влияние свинца на свойства латуни.

7.Для отливок сложной конфигурации используется бронза БрО10Ф1. Расшифровать состав и описать структуру сплава. Привести термическую обработку, применяемую для снятия внутренних напряжений, возникающих

врезультате литья.

8.Для изготовления токопроводящих упругих элементов выбран сплав БрБНТ-1,9. Привести химический состав, режим термической обработки и получаемые механические свойства материала. Описать процессы, происходящие при термической обработке.

9.Назначить марку алюминиевой бронзы для изготовления мелких ответственных деталей (втулок, фланцев и т, д.). Расшифровать ее состав, описать структуру и основные свойства сплава.

10.Для отливок сложной конфигурации используется бронза БрО3Ц7С5Н1. Расшифровать состав и описать структуру сплава, привести термическую обработку, применяемую для снятия внутренних напряжений, возникающих в результате литья; описать механические свойства этой бронзы.

11.Для изготовления деталей выбрана латунь ЛАЖ60-1-1. Расшифровать ее состав, описать структуру. Описать влияние на свойства латуни.

12.Для изготовления токопроводящих упругих элементов выбран сплав БрБНТ-1,7. Привести химический состав, режим термической обработки и получаемые механические свойства материала. Описать процессы, происходящие при термической обработке.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 13 МИКРОАНАЛИЗ МЕДИ, ЛАТУНЕЙ И БРОНЗ

Задания к лабораторной работе

13. Для латуни ЛЦ23А6Ж3Мц2 указать состав и физико-механические свойства. Написать известные еще марки латуни. Указать области применения латуни.

Контрольныевопросыизадания

1.Охарактеризовать строение и свойства меди.

2.Привести классификацию медных сплавов по составу.

3.Охарактеризовать деформируемые медные сплавы, принципы леги-

рования.

4.Каковы основные принципы термической обработки медных сплавов?

5.Охарактеризовать литейные медныесплавы, принципы легирования.

6.Какие методы повышения прочности медных сплавов вы знаете?

7.Как маркируют медные сплавы?