Материаловедение. Ч.1. Лабораторный практикум

торых требуется высокая стабильность и точность размеров (ЦА4, ЦА4М3).

20

Al, %

Рис. 5.4. Диаграмма состояния Zn–Al–Cu

Антифрикционный сплав ЦАМ 10-5 (рис. в [2, с. 70]) рекомендуется для получения прокатанных полос для направляющих скольжения металлорежущих станков и других изделий. Предельные рабочие температуры антифрикционных сплавов не превышают 80–100 °С, а удельное давление – 100–250 МПа (в зависимости от скорости скольжения).

Свинец, олово и их сплавы

Свинец имеет ГЦК-кристаллическую решетку с периодом a = 0,49502 нм, его плотность составляет 11,34 г/см3. Этот металл относительно дешевый, поэтому он широко ис-

111

пользуется в промышленности: в чистом виде, как основа свинцовых баббитов и припоев, а также в качестве легирующей добавки, в частности в медные сплавы.

Олово существует в двух модификациях. В интервале от температуры плавления 232 °С до 13 °С стабильной является b-модификация (так называемое белое олово) с тетрагональной кристаллической решеткой (a = 0,58312 нм, c = = 0,31814 нм) и плотностью (при 20 °С) 7,295 г/см3.

При более низких температурах термодинамически стабильна a-модификация (так называемое серое олово) с кубической решеткой типа алмаза (a = 0,65043 нм) и плотностью 5,846 г/см3. Трансформация b → a сопровождается резким уменьшением плотности и, как следствие, значительным увеличением удельного объема (на 25,6%). Результатом такого полиморфного превращения является растрескивание металла и образование серого порошка. Этот процесс проявляется при значительных переохлаждениях (наиболее сильно начиная с –33 °С), он получил название «оловянной чумы». Растрескивание олова при «оловянной чуме» вызвано возникновением сильных внутренних напряжений из-за увеличения удельного объема.

Олово широко используется в промышленности: в чистом виде, как основа оловянных баббитов и припоев, а также в качестве легирующей добавки, в частности в бронзы и латуни. Поскольку по цене олово намного дороже свинца, там, где нет острой необходимости, обычно стараются использовать сплавы с низким содержанием олова или совсем без него. Фазовый состав большинства оловянно-свинцовых бессурьмянистых припоев, состав которых приведен в табл. 5.1, может быть проанализирован по двухкомпонентной диаграмме состояния Pb–Sn (рис. 5.5).

Эта диаграмма характеризуется простым эвтектическим видом, в ней имеются лишь твердые растворы на основе свинца и олова, а промежуточные соединения отсутствуют. Эвтектическая реакция L → (Pb) + (Sn) протекает при сравнительно низкой температуре (183 °С), поэтому наиболее

112

легкоплавкий свинцово-оловянный припой (ПОС61) имеет чисто эвтектический состав и одну структурную составляющую.

Рис. 5.5. Диаграмма состояния Pb –Sn

В других припоях этой группы в зависимости от состава кроме эвтектики присутствуют также первичные кристаллы свинцового (например, ПОС 30) или оловянного (ПОС 90) твердых растворов (рис. в [2, с. 71]).

Таблица 5.1

Марки и химический состав оловянно-свинцовых бессурьмянистых припоев по ГОСТ 21930–76

113

Диаграмма состояния Pb–Sn–Sb (рис. 5.6) может быть полезна и для анализа фазового состава баббитов, состав которых приведен в табл. 5.2. В частности, состав на диаграмме состояния свинцового баббита Б 16, содержащего примерно 16% Sb и 16% Sn попадает в область первичной кристаллизации соединения b (SbSn). Поэтому одной из основных структурных составляющих в этом сплаве являются первичные кристаллы b, которые имеют форму крупных многогранников (рис. в [2, с. 70]). Малые добавки меди способствуют образованию соединения h(Cu6Sn5), которое образуется первично в виде разветвленных кристаллов, а также по эвтектическим реакциям.

Таблица 5.2

Марки и химический состав свинцовых и оловянных баббитов по ГОСТ 1320–74

На примере баббита Б 16 можно отметить основные осо­ бенности структуры этого класса материалов (согласно правилу Шарпи): мягкая матрица (в данном случае тройная эвтектика ((Pb) + b+ h) и твердые включения (в данном случае первичные кристаллы b). Основное назначение меди в баббите Б 16 (а также и в других) заключается в образовании разветвленных кристаллов соединения h, которые препятствуют всплытию кристаллов b(SbSn), т.е. медь обеспечивает однородность состава и структуры по высоте (в чушке или отливке). Мягкая основа должна обеспечивать прирабатываемость подшипника к шейке вала, а включения более твердой составляющей понижают коэффициент трения.

Для анализа фазового состава оловянного баббита Б 83, содержащего в среднем 6% Cu и 11% Sn (см. табл. 5.2), достаточно тройной диаграммы состояния Sn–Sb–Cu (см.

114

рис. 5.6). Фигуративная точка этого сплава попадает в область первичной кристаллизации соединения h(Cu6Sn5). После образования этого соединения кристаллизуется двойная эвтектика h(Cu6Sn5) + b′(SbSn), а затем протекает нонвариантное перитектическое превращение L + b′(SbSn) → (Sn) + + h(Cu6Sn5). Поскольку в реальных условиях эта перитектическая реакция не доходит до конца, далее оставшаяся жидкость кристаллизуется с образованием двойной эвтектики (Sn) + h(Cu6Sn5), в которой количество промежуточного соединения мало. Таким образом, в баббите Б 83 роль мягкой составляющей играет оловянный твердый раствор, а твердой составляющей – кристаллы соединений b′ и h (рис. в [2, с. 70]).

(Cu6Sn5)

40

% Sb

Рис. 5.6. Диаграмма состояния Sn–Sb–Cu

115

5.2.Порядок проведения работы

1.Просмотреть набор приготовленных промышленных цветных сплавов, определить фазы и структурные составляющие.

2.Используя атлас микроструктур, схематично зарисовать изученные структуры сплавов.

3.Подписать структурные составляющие.

5.3.Требования к отчету о работе

1.Представить зарисовки всех изученных микроструктур цветных сплавов.

2.Под каждой микроструктурой подписать марку сплава, средний химический состав, состояние, стрелками указать структурные составляющие.

3.Рядом с микроструктурами начертить соответствующие диаграммы состояния, необходимые для анализа структур, провести фигуративные прямые сплавов.

Литература

1.Металловедение: учебник / И.И. Новиков, В.С. Золоторевский и др. М.: Изд. Дом МИСиС, 2014. Т. 2. С. 262–267, 288–290, 305–378.

2.Материаловедение. Атлас микроструктур. Ч. 2: лаб. практикум. М.: Изд. Дом НИТУ МИСиС, 2022. № 4361.

Контрольные вопросы

1.На какие основные группы подразделяют алюминиевые сплавы?

2.В какой области диаграммы состояния алюминиевые сплавы обладают хорошими литейными свойствами и почему?

3.Какая основная структурная составляющая в деформируемых алюминиевых сплавах?

4.Какой процесс происходит при нагреве алюминиевых сплавов под закалку?

116

5.Какие процессы происходят при старении алюминиевых сплавов?

6.Какие избыточные фазы, образованные основными легирующими элементами, встречаются в алюминиевых сплавах?

7.Какие примеси всегда присутствуют в алюминиевых сплавах?

8.Какие структурные составляющие наблюдаются в доэвтектическом сплаве системы Al–Si?

9.Чем отличаются структуры доэвтектического модифицированного и немодифицированного силуминов?

10.Для чего в силумины вводят марганец?

11.На базе какой системы создан сплав АМг6? К какой группе алюминиевых сплавов он относится?

12.На базе какой системы создан сплав Д1? К какой группе алюминиевых сплавов он относится?

13.Какая примесь является причиной «водородной болезни» меди?

14.Какие сплавы называют латунями?

15.Сколько цинка содержит латунь Л63?

16.Можно ли по микроструктуре определить химический состав однофазной латуни?

17.Из каких структурных составляющих состоит бронза БрС30?

18.Каковы основные группы магниевых сплавов?

19.К какой системе относится высокопрочные литейные магниевые сплавы?

20.Для какой цели вводят в магниевые сплавы цирко-

ний?

21.Почему полуфабрикаты из магниевых сплавов получают горячей деформацией?

22.Какова основная фаза-упрочнитель в сплаве МА14?

23.К какой системе относятся жаропрочные литейные магниевые сплавы?

24.Какую структуру имеет сплав МЛ10 в литом состоянии?

25.По какому признаку и на какие группы подразделяют промышленные титановые сплавы?

117

26.Каковы разновидности структур титановых сплавов различных групп?

27.Как маркируют промышленные деформируемые и литейные титановые сплавы?

28.Какие α-титановые сплавы вы знаете, каковы их преимущества и недостатки?

29.Какие (α + β)-титановые сплавы вы знаете, каковы их преимущества и недостатки?

30.Какие сплавы называют баббитами? В чем состоит особенность их структуры?

31.Сколько цинка содержит сплав ЦА4М3?

32.Какая тройная эвтектики кристаллизуется в сплаве ЦА4М3?

33.Какая фаза кристаллизуется первично в сплаве ЦАМ

10-5?

34.Какую функцию выполняет малая добавка магния

вцинковых сплавах?

35.У какого из трех сплавов (ЦА4М1, ПОС 61 и ПОС 90) самый низкий солидус? Почему?

36.Какая фаза первично кристаллизуется в пропое ПОС 30?

Примеры тестов для проверки знаний

идопуска к лабораторной работе

1.По маркировке латуней нельзя определить литейная она или обрабатываемая давлением, это:

а) правда; б) ложь.

2.Двухкомпонентные силумины – термически неупрочняемые сплавы, это:

а) правда; б) ложь.

3.Сплавы на основе магния имеют литейные свойства хуже, чем у алюминия, это:

а) правда; б) ложь.

118

4.Термическая обработка сплавов на основе магния длительнее, чем у алюминиевых, это:

а) правда; б) ложь.

5.По маркировке цинкового сплава можно определить,

клитейным или антифрикционным он относится, это:

а) правда; б) ложь.

6.Pb вызывает в меди горячеломкость, это: а) правда; б) ложь.

7.Дуралюмины – сплавы системы:

а) Al–Cu–Mg; б) Al–Mg–Cu; в) Al–Si–Cu; г) Al–Mg–Si;

д) Al–Zn–Mg–Cu; е) Al–Mg–Si–Cu.

8. Медь имеет температуру плавления: а) 1085; б) 660; в) 650; г) 273.

9.В марке Л90 цифра – это: а) содержание меди; б) содержание латуни; в) содержание цинка; г) прочность.

10.Латуни в литом состоянии свойственна структура: а) дендритная ликвация; б) пересыщенный твердый раствор на основе меди; в) волокнистая;

г) рекристаллизованная с большим количеством двой­ ников.

119

11. Правило Шарпи применимо к:

а) антифрикционным сплавам на основе свинца и олова; б) антифрикционным сплавам на основе цинка; в) алюминиевым сплавам; г) медным сплавам; д) титановым сплавам.

12.Самый легкоплавкий припой: а) ПОС61; б) ПОС30; в) ПОС90.

13.Для пайки электро- и радиоаппаратуры применяется припой:

а) ПОС61; б) ПОС90; в) ПОС30.

14.Медные сплавы в зависимости от основных легирующих элементов делят на группы:

а) латуни; б) бронзы;

в) медно-никелевые; г) литейные; д) деформируемые.

15.Кислород в медных сплавах вызывает:

а) водородную болезнь; б) охрупчивание;

в) сезонное растрескивание; г) упрочнение.

120