Материаловедение. Ч.1. Лабораторный практикум

шим количеством двойников, дающих в плоскости шлифа ряд параллельных полосок внутри зерен (рис. в [2, с. 57]). По структуре α-латуни, отожженной после литья или деформации, нельзя судить о ее составе, как нельзя судить о химическом составе по микроструктуре любого другого однородного твердого раствора.

Механические свойства α-латуни Л80 в отожженном состоянии следующие: σв = 310 МПа, δ = 50%.

К (α + β)-латуням относятся промышленные сплавы марок Л63 (рис. в [2, с. 57]) и Л60.

Вдвухфазных латунях под микроскопом всегда четко видны две структурные составляющие: α-фаза (светлая) и β-фаза (темная).

Рекристаллизованная (α + β)-латунь характеризуется наличием двойниковых прослоек только в α-фазе.

Вмногокомпонентных латунях легирующие добавки растворены в α- и β-фазах и могут образовывать новые интерметаллидные фазы.

Примером многокомпонентной литейной латуни служит латунь марки ЛЦ23А6Ж3Мц2 (рис. в [2, с. 58]), которая содержит, %: Zn – 23, Al – 6, Fe – 3 и Mn – 2. Несмотря на со-

держание всего 23% Zn, основной структурной составляющей в этой латуни является β-фаза. На фоне β-зерен с резко различной окраской видны дисперсные включения железосодержащей фазы. Высоколегированная и очень прочная

латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2 применяется только в литом состоянии (σв = 650 МПа, δ ≥ 7%).

Бронзы

В зависимости от основного легирующего элемента различают оловянные, алюминиевые, свинцовые, бериллиевые и другие бронзы.

Бронзы применяют для получения отливок и полуфабрикатов, изготавливаемых обработкой давлением.

Алюминиевые бронзы – это сплавы меди с алюминием, а также с добавками марганца, железа и никеля. Добавки мар-

91

ганца улучшают коррозионную стойкость, добавки железа и никеля – прочностные свойства при комнатной и повышенных температурах, делая алюминиевые бронзы восприимчивыми к упрочняющей термической обработке. Согласно диаграмме состояния Сu–Аl (рис. 5.1) сплавы, содержащие менее 9,4% Al, должны состоять из одной фазы – a-раствора алюминия в меди. Микроструктура этих сплавов после отжига слитка, после горячей деформации или отжига после холодной деформации ничем не отличается от структуры a-латуни, прошедшей соответствующую обработку.

Рис. 5.1. Диаграмма состояния системы Cu–Al

Однофазная деформируемая алюминиевая бронза БрА5 содержит 5% Al (см. рис. в [2, с. 59]), отличается высокой коррозионной стойкостью и применяется для изготовления монет.

В неравновесных условиях при содержании Al как выше, так и ниже 9,4% в структуре кроме первичных a-кристаллов

92

(светлая составляющая) появляется эвтектоид (a + g2) (темная составляющая) (рис. в [2, с. 59]).

Наиболее широко используют алюминиевые бронзы БрАЖ9-4 и БрАЖМц10-3-1,5 как деформируемые, так и литейные, причем, если бронзы этой группы применяют как литейные, то к их марке добавляют букву Л.

Четырехкомпонентная алюминиевожелезомарганцовистая бронза БрАЖМц10-3-1,5 помимо a-раствора и эвтектоида (a + g2) содержит точечные включения железной составляющей, равномерно распределенные по всему полю шлифа. Эта бронза после литья в кокиль имеет σв = 500 МПа, δ = 12%.

Свинцовая бронза БрС30, содержащая 30% Рb, применяется для заливки вкладышей подшипников. В этой бронзе мягкие включения свинца распределены в более прочной и высокотеплопроводной медной матрице. Высокая теплопроводность бронзы БрС30 облегчает условия работы подшипника при больших удельных давлениях и высоком числе оборотов, когда при трении выделяется много теплоты.

Алюминиевые сплавы

По назначению промышленные сплавы подразделяют на две группы: литейные и деформируемые. Сплавы первой группы предназначены для получения фасонных отливок, область их составов схематически показана на рис. в [2, с. 61]. Они должны обладать хорошими литейными свойствами: высокой жидкотекучестью, малой склонностью к образованию рассеянных усадочных пустот и кристаллизационных трещин. Эти свойства тем выше, чем меньше интервал кристаллизации. Поэтому сплавы, близкие по составу к эвтектическим, обладают лучшими литейными свойствами, чем сплавы, находящиеся вдали от нее. Поэтому основной структурной составляющей литейных сплавов является эвтектика.

Из деформируемых сплавов методом полунепрерывного литья получают круглые и плоские слитки, которые под-

93

вергают горячей и холодной обработке давлением (прокатке, прессованию, штамповке, ковке и др.). Область составов деформируемых сплавов простирается от алюминия до сплавов вблизи точки предельной растворимости (см. рис. в [2, с. 61]). Основной структурной составляющей этой группы сплавов является твердый раствор на основе алюминия, а объемная доля хрупких интерметаллидов сравнительно невелика (менее 5–10%), что обеспечивает высокую деформируемость этих сплавов.

Для повышения прочности большинство алюминиевых сплавов подвергают закалке и старению. При нагреве под закалку происходит растворение всех или отдельных избыточных фаз, называемых фазами-упрочнителями. При последующем ускоренном охлаждении эти фазы не успевают выделиться, и фиксируется пресыщенный твердый раствор легирующих элементов в алюминии. При старении закаленного сплава в зависимости от температуры и продолжительности в пересыщенном твердом растворе образуются участки, обогащенные легирующими элементами, дисперсные частицы промежуточных метастабильных фаз или выделяются стабильные фазы.

К избыточным фазам, образованным основными легирующими элементами и алюминием и наиболее часто встречаемыми в структуре слитков, относятся q (CuАl2), S (CuMgAl2), b (Mg2Si) и b(Al3Mg2). Эти фазы под микроскопом имеют следующие отличительные особенности: b(Mg2Si) – скелетного вида кристаллы черного цвета; q (CuАl2) – вытянутые, изогнутые светлые включения; S (CuMgAl2) – компактные включения темного цвета; b(Al3Mg2) – светлые включения неправильной формы (см. рис. в [2, с. 65–66]).

Основные примеси в первичном алюминии – железо и кремний, которые ухудшают механические и коррозионные свойства.

Для травления шлифов алюминиевых сплавов часто используют 1%-ный раствор плавиковой кислоты в воде.

94

Литейные алюминиевые сплавы

Большинство литейных алюминиевых сплавов являются доэвтектическими. После литья они содержат две основные структурные составляющие – первичные кристаллы раствора на основе алюминия и эвтектику.

Силумины – сплавы на базе системы Al–Si (рис. в [2, с. 62]). Это наиболее широко используемые алюминиевые сплавы для фасонного литья. Эвтектика в системе Al–Si обеспечивает высокие литейные свойства, поэтому является основной структурной составляющей.

Структура доэвтектических сплавов системы Al–Si состоит из пестрой эвтектики и больших округлых светлых участков – это сечения ветвей дендритов первичного (Al)-раствора кремния в алюминии. В заэвтектических сплавах серые первичные кристаллы кремния имеют форму многогранников (см. рис. в [2, с. 63]). Эвтектика состоит из светлой матрицы – (Al)-раствора и изолированных иголок кремния. В действительности эти иголки являются сечениями тонких пластин, образующих непрерывный кремниевый каркас эвтектической колонии. Эвтектика Al–Si относится к числу аномальных: колонии эвтектики на шлифе не видны. Пластинчатая форма кремния в эв­ тектике отрицательно сказывается на характеристи­ ках пластичности силуминов.

Для повышения и прочности, и пластичности силумины модифицируют добавкой – Sr или Na. Под действием стронция или натрия кремний в эвтектике кристаллизуется в форме сильно разветвленного скелета с тонкими ветвями волокнистой формы. Но модифицирующее действие натрия из-за его выгорания не сохраняется при переплаве, поэто­ му натрий необходимо вводить в расплав непосредственно перед литьем деталей на машиностроительном заводе. Исходя из этого в качестве модификатора более выгодно вместо натрия использовать добавку около Sr в количестве 0,1%, под действием которого кремний в эвтектике кристаллизует-

95

ся в виде тонкоразветвленных дендритов, и его модифицирующее действие не исчезает при переплаве.

Наиболее вредной примесью в силумине является железо, так как оно с алюминием и в присутствии кремния образует хрупкие соединения FeAl3, a (Al, Fe, Si) и b (Al, Fe, Si). Эти фазы кристаллизуются в виде игл и пластин, которые сильно снижают пластичность силуминов. Чем выше содержание железа в силумине, тем длиннее и толще эти пластины. Для повышения пластичности в силумины вводят марганец (0,2–0,6%), который образует железомарганцовистую фазу (Al, Fe, Mn, Si), кристаллизующуюся в скелетообразной форме, меньше охрупчивающей силумины.

Сплав АК12 – единственный промышленный силумин без специальных добавок. Интервал концентрации кремния в этом силумине (10–13%) включает эвтектический состав. При модифицировании натрием сплав становится доэвтектическим: он содержит эвтектику и первичные кристаллы алюминиевого раствора. Этот силумин обладает наилучшими литейными свойствами, и его применяют в крупносерийном производстве малонагруженных деталей, в частности получаемых литьем под давлением. Упрочняющей термической обработке сплав АК12 не подвергают, так как ее эффект незначителен.

Деформируемые алюминиевые сплавы

В литом состоянии основная структурная составляющая деформируемых сплавов – дендриты (Al)-раствора на базе алюминия. Под микроскопом обычно видны границы светлых дендритных ячеек, являющиеся сечениями ветвей дендритов. По этим границам располагаются двойные, тройные и более сложные эвтектики, которые в деформируемых сплавах обычно появляются из-за неравновесной кристаллизации (см. пунктирные линии на рис. в [2, с. 61]). Во многих сплавах эвтектики, объемная доля которых мала, вырождены и по границам дендритных ячеек видны включения интерметаллидов эвтектического происхождения. Структуры

96

закаленных и состаренных деформируемых полуфабрикатов более однообразны по сравнению со структурами слитков.

Взависимости от способности упрочняться при закалке и последующем старении деформируемые алюминиевые сплавы подразделяют на термически упрочняемые и термически неупрочняемые. Первые подвергают закалке и старению, а вторые – только отжигу.

Примером термически неупрочняемого сплава может служить сплав АМг6. Он относится к группе магналиев – сплавов на основе системы Al–Mg (рис. в [2, с. 64]) и содержит, %: 6,3 Mg, 0,06 Mn, 0,001 Be и примеси железа и кремния – не более 0,4 каждого.

Влитом состоянии в сплаве АМг6 по границам дендрит-

ных ячеек алюминиевого раствора находятся включения

b-фазы (Mg5Al8) из вырожденной эвтектики. В деформированных полуфабрикатах фаза b отсутствует, так как она

полностью переходит в алюминиевый твердый раствор во время гомогенизации слитков при 500 °С. Примеси крем-

ния и железа образуют труднорастворимые фазы Mg2Si, (Fe, Mn)3Si2Al15 и др. Бериллий вводят в магналии для уменьшения окисления при литье, сварке плавлением и горячей обработке давлением (бериллий образует на поверхности защитную оксидную пленку).

Важнейшие достоинства магналиев – высокая стойкость против коррозии, в том числе в морской атмосфере, и хоро-

шая свариваемость. В отожженном состоянии сплав АМг6

имеет sв = 340 МПа, d = 20%.

Примером термически упрочняемого деформируемого алюминиевого сплава служит сплав Д1, принадлежащий

кгруппе дуралюминов – сплавов на основе системы Al–Cu (рис. 5.2). Он содержит, %: 4,3 Сu, 0,6 Mg, 0,6 Мn, примеси железа и кремния – до 0,7 каждого. Добавки Сu, Mg и Мn входят в твердый раствор на базе алюминия.

Вструктуре слитка после литья по границам дендритных

ячеек алюминиевого раствора расположены включения фаз: темная S (CuMgAl2) и светлая q (Al2Cu), образованных основ-

97

ными компонентами, а также железомарганцовистая составляющая коричневого цвета в виде иероглифов (см. рис. в [2, с. 65–66]).

Рис. 5.2. Диаграмма состояния системы Al–Cu

После закалки и старения структура полуфабрикатов под световым микроскопом состоит из зерен раствора меди, магния и марганца в алюминии и округлых частиц q (Al2Cu), не полностью перешедших в раствор при нагреве под закалку. Кроме того, видны частицы железомарганцовистой составляющей, нерастворимой в твердом алюминии (sв = = 410 МПа, d = 20%) (см. рис. в [2, с. 66]).

Магниевые сплавы

Все промышленные магниевые сплавы в зависимости от их назначения, как и алюминиевые, делятся на две основные группы (см. рис. в [2, с. 68]):

–– деформируемые, предназначенные для производства полуфабрикатов различными методами обработки давлением;

98

–– литейные, предназначенные для получения деталей методом фасонного литья.

Российские деформируемые и литейные магниевые сплавы маркируются соответственно буквами МА и МЛ. Наиболее вредными примесями в деформируемых и литейных магниевых сплавах являются никель, железо и кремний. Содержание этих примесей строго ограничивают, так как они снижают коррозионную стойкость изделий.

Деформируемые магниевые сплавы (ГОСТ 14957–76)

В зависимости от свойств и природы влияния легирующих элементов делят на несколько групп:

––коррозионностойкие сплавы, легированные марганцем;

––сплавы средней и высокой прочности, легированные алюминием, цинком и марганцем;

––высокопрочные сплавы, легированные цинком и цирконием;

––жаропрочные сплавы, легированные редкими и редкоземельными металлами;

––сверхлегкие сплавы, легированные литием.

После литья структура магниевых сплавов состоит из первичных дендритов магниевого твердого раствора и избыточных фаз кристаллизационного происхождения.

Сплавы системы Mg–Al–Zn

К сплавам системы Mg–Al–Zn могут быть отнесены:

––деформируемые (МА2, МА2-1 и МА2-1пч, МА3 и МА5);

––литейные (МЛ5, МЛ4 и МЛ6).

Наиболее распространенным деформируемым сплавом настоящей системы является сплав МА2-1. Он содержит, %: 4,5 Аl, 1,2 Zn и 0,5 Мn. При получении слитков этого сплава полунепрерывным литьем в результате неравновесной кристаллизации его структура состоит из двух структурных составляющих: первичных кристаллов магниевого твердого раствора

99

α и неравновесной двойной эвтектики (α + Mg17Al12), которая

врезультате вырождения представлена выделениями фазы

Mg17Al12 по границам дендритных ячеек магниевого твердого раствора (см. рис. в [2, с. 69]). При этом цинк в сплаве МА2-1 самостоятельной фазы не образует, он растворяется в α и в со-

единении Mg17Al12, замещая в нем атомы магния и алюминия без нарушения стехиометрии.

Марганец в сплаве МА2-1 входит в твердый раствор на базе магния и в состав алюминидов типа η (AlMn) и τ (AlMn). В алюминидах марганца растворена вся примесь железа с образованием фазы Al(Mn, Fe). Таким образом, марганец предотвращает образование самостоятельных железосодержащих фаз, которые резко снижают коррозионную стойкость магниевых сплавов.

Самый широко используемый литейный магниевый сплав системы Mg–Al–Zn – сплав МЛ5 (8,5% Al, 0,5% Zn и 0,35% Mn). Структура отливок этого сплава в значительной степени похожа на структуру слитков деформируемых сплавов этой системы (см. рис. в [2, с. 68]).

Врезультате неравновесной кристаллизации структура

сплава МЛ5 состоит из двух структурных составляющих: первичных кристаллов αи неравновесной двойной эвтектики

(α + Mg17Al12), которая в результате вырождения представлена выделениями фазы Mg17Al12 (см. рис. в [2, с. 65–66]). Этот интерметаллид хорошо выделяется на светлом фоне магниевого твердого раствора в виде четко очерченных светлых включений по границам дендритных ячеек.

При медленной кристаллизации в песчаной форме эти включения довольно крупные, извилистые и вытянуты по границам зерен. При быстрой кристаллизации в кокиле (металлической форме) они более мелкие и округлые. Во-

круг включений интерметаллида эвтектического происхождения часто встречаются темные участки α-фазы, в которых при замедленном охлаждении в литейной форме, особенно

впесчаной, успел произойти распад пересыщенного раствора с выделением интерметаллида Mg17Al12.

100