Методические указания к лабораторным работам и практическим занятиям по дисциплине «Металловедение цветных металлов»

11.Какова плотность дислокаций в холоднодеформированном металле и после рекристаллизации?

12.Холодная и горячая пластическая деформация. Что общего и в чем различие этих видов деформации?

Лабораторная работа №2

«Микроструктура и термическая обработка сплавов на основе меди»

Цель работы:

1.Изучить микроструктуру бронз и латуней. Установить связь между структурой и свойствами.

2.Изучить влияние закалки и старения на структуру и свойства берилли-

евой бронзы.

Латуни – это сплавы меди с цинком. Из медных сплавов латуни получили наиболее широкое распространение благодаря сочетанию высоких механиче-

ских и технологических свойств. Структура и свойства латуней определяются диаграммой состояния Cu-Zn (рис.3). С увеличением содержания цинка возрас-

тает прочность и пластичность сплава. Относительное удлинение достигает максимума при увеличении содержания цинка до 30-32%, а затем резко умень-

шается, особенно при появлении β-фазы. Предел прочности возрастает до

45-47 %Zn, но как только β-фаза полностью сменяет α-фазу, он резко снижает-

ся.

Стабильная при высоких температурах β-фаза пластична, а образовавша-

яся из нее при охлаждении β'-фаза с упорядоченной структурой, наоборот хрупка. Поэтому пластичность β-латуней с β'-структурой при комнатной темпе-

ратуре очень мала. В силу отмеченных обстоятельств в промышленном мас-

штабе применяются лишь α- и (α+β)-латуни. Однако β-латуни представляют интерес как основа сплавов с памятью формы, материалов с высокими упруги-

ми свойствами.

11

Рис.3. Диаграмма состояния Cu-Zn и влияние содержания цинка на механические свойства сплавов

Рис.4. Диаграмма состояния Cu-Sn и влияние содержания олова на механические свойства сплавов

12

Микроструктура α-латуней после деформации и отжига полиэдрическая с большим количеством двойников. Структура двухфазных латуней представлена светлыми кристаллами α-фазы и темными кристаллами β-фазы, которая травит-

ся сильнее, чем α-фаза из-за большего содержания в ней цинка.

Бронзы – это сплавы меди с оловом, алюминием, свинцом, бериллием и другими элементами (кроме цинка). В зависимости от введенного в медный сплав элемента бронзы называют оловянистыми, алюминиевыми, свинцови-

стыми, бериллиевыми и т.д.

Оловянистые бронзы обладают высокими антифрикционными и механи-

ческими свойствами. Их структура определяется диаграммой состояния Cu-Sn

(рис.4).

Сплавы этой системы характеризует склонность к неравновесной кри-

сталлизации. Неравновесная β-фаза при обычных условиях охлаждения появля-

ется при концентрации 8% Sn вместо 13,5% по диаграмме состояния. При по-

следующем охлаждении она испытывает эвтектоидный распад β→α+γ, который затем сменяется превращением γ→α+δ. Эвтектоидный распад β- и γ-фаз проис-

ходит быстро, и обычно он не фиксируется при комнатной температуре. Эвтек-

тоидное превращение δ→α+ε не реализуется даже при достаточно медленном охлаждении.

Структура литых сплавов значительно отклоняется от равномерного со-

стояния. Уже при содержании олова более 5-8% в структуре появляется (α+δ)-

эвтектоид, в котором δ-фаза представляет собой твердое и хрупкое электронное соединение Cu31Sn8.

Влияние олова на механические свойства меди аналогично влиянию цин-

ка, но проявляется более резко. Появление δ-фазы в структуре бронз вызывает резкое снижение пластичности. Поэтому, несмотря на повышение прочности при дальнейшем увеличении содержания олова до 25%, практическое значение имеют бронзы, содержащие до 12% Sn.

Структура литых бронз, содержащих менее 5-8% Sn, представлена α-

твердым раствором переменной концентрации. Из-за сильно развитой дендрит-

13

ной ликвации состав зерен в центре обеднен оловом и обогащен им на стыке дендритных ветвей. Структура сплавов, содержащих более 5-8% Sn, представ-

лена первичными кристаллами α-раствора переменной концентрации и эвтек-

тоидом α+δ.

Особый интерес представляют бериллиевые бронзы, содержащие

2-2,5% Be. Сплав с 2% Be, как видно из диаграммы состояния Cu-Be (рис. 5),

является дисперсионно твердеющим. После закалки от 8000С в воде он сохра-

няет однофазную структуру, хотя растворимость бериллия в меди при комнат-

ной температуре не превышает 0,2%. В закаленном состоянии бериллиевая бронза с 2% Ве имеет предел прочности σв=500 МПа при относительном удли-

нении δ=30 %. При искусственном старении при температуре 300-3500С из пе-

ресыщенного твердого раствора выделяются мелкодисперсные частицы фазы

CuBe. После старения бронза имеет σв=1200 МПа, δ=4%.

Рис.5. Диаграмма состояния Cu-Be

14

Бериллиевые бронзы имеют высокую прочность и упругость при одно-

временной высокой химической стойкости, хорошей свариваемости и обраба-

тываемости резанием. Они применяются для ответственных деталей приборов – мембран, пружин, пружинящих контактов и т.д.

Методика работы

1.Получить и маркировать образцы из бериллиевой бронзы.

2.После нагрева в печи при 8000С в течение 10-20 мин закалить образцы

вводу. Один образец охладить с печью.

3.Закаленные образцы загрузить в печь для старения. Температура старе-

ния 3400С, время выдержки 15, 30, 45, 60 и 90 мин.

4. Измерить твердость (микротвердость) бериллиевой бронзы в отожжен-

ном, закаленном и состаренном состояниях. В случае измерения твердости об-

разцы предварительно зачистить с двух противоположных сторон на наждач-

ной бумаге, при измерении микротвердости – изготовить металлографические шлифы.

5. Результаты измерений занести в таблицу 3 и построить по полученным данным график зависимости твердости (микротвердости) от времени старения.

Отметить на графике твердость сплава в отожженном и закаленном состояниях.

Таблица 3

Влияние времени старения на твердость бериллиевой бронзы

6. Изготовить металлографические шлифы, изучить и зарисовать микро-

структуру образцов бериллиевой бронзы в отожженном, закаленном и соста-

ренном состояниях.

7. Посмотреть шлифы в коллекции, изучить и зарисовать их микрострук-

туру.

15

8. Описать структуры, указав характерные особенности структурных со-

ставляющих.

9. На диаграммах состояния нанести положения рассмотренных сплавов.

Форма отчета

1.Цель работы.

2.Диаграмма состояния Cu-Zn, Cu-Sn, Cu-Be с краткой характеристикой латуней и бронз.

3.Описание методики выполнения работы.

4.Таблица с результатами измерений. График зависимости твердости от времени старения.

5.Зарисовки микроструктур с описанием их характерных особенностей.

6.Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1.Какие сплавы называют латунями? Дать им характеристику.

2.Какие сплавы называют бронзами? Дать им характеристику.

3.Как зависят прочность и пластичность латуни от содержания цинка?

Связать изменение свойств латуни со структурой.

4. Как зависят прочность и пластичность оловянистой бронзы от содер-

жания олова?

5.Почему α-латуни деформируют в холодном состоянии, а (α+β)-латуни –

вгорячем состоянии?

6.Почему бронзы с содержанием олова более 5-6 % применяют только в литом состоянии?

7.Какие фазовые превращения происходят при закалке и старении берил-

лиевой бронзы?

16

8. Зонное и фазовое старение. Что общего и в чем различие этих процес-

сов?

9. Причины образования модулированной (квазипериодической) структу-

ры при старении бериллиевой бронзы.

10. Основные принципы упрочняющей термической обработки алюмини-

евой бронзы.

Задачи

1.Червяк редуктора для уменьшения коэффициента трения часто изготав-

ливают из стали, а венец колес – из сплава на медной основе.

Указать марку и состав сплава для венца колеса, обладающего высокими антифрикционными свойствами и пределом прочности σв не ниже 25 кгс\мм2.

Объяснить, как изменяются механические свойства сплава в зависимости от условий литья (в кокиль или в землю).

Указать для сравнения состав, термическую обработку, структуру и ме-

ханические свойства стали для изготовления червяка редуктора диаметром 30

мм, если предел прочности должен быть не ниже 70 кгс/мм2 .

2. Некоторые винты, болты, гайки и т. п. изготавливают из латуни на быстроходных станках – автоматах. Латунь, обладающая высокой вязкостью и пластичностью, не получает достаточно чистой поверхности при обработке ре-

занием.

Сравнить механические свойства и структуру выбранного сплава с анало-

гичными характеристиками латуни высокой вязкости и пластичности.

3. Арматура котлов, работающих в условиях пресной воды и пара под давлением до 25 ат. (краны, вентили и т. п.), а также трубки корпусы приборов

(например, манометров), работающие в аналогичных условиях, изготавливают из цветных сплавов, стойких против коррозии.

Указать состав, способ изготовления, структуру и механические свойства:

17

а) сплава с хорошими литейными свойствами и хорошей обрабатываемо-

стью резанием для изготовления арматуры;

б) сплава высокой пластичности в холодном состоянии для изготовления трубок и корпусов приборов.

4. Трубки в паросиловых установках должны быть стойки против корро-

зии.

Подобрать марку сплава на медной основе, пригородного для изготовле-

ния трубок и не содержащего дорогих элементов; привести состав выбранного сплава.

Указать способ изготовления трубок и сравнить механические свойства выбранного сплава, получаемые после окончательной обработки, с механиче-

скими свойствами стали, стойкой против коррозии в тех же средах.

5. В химическом машиностроении применяют специальные латуни для изготовления литьем коррозионностойких тяжелонагруженных деталей.

Выбрать марку сплава с пределом прочности не ниже 45 кгс/мм2 , приве-

сти его состав, механические свойства, структуру и указать в каких средах та-

кой сплав является устойчивым.

Составить механические свойства латуни выбранного состава с анало-

гичными свойствами латуни ЛС59-1 указать область применения латуни ЛС59-1.

6. Необходимо изготовить зубчатые колеса из сплава, стойкого против действия воды и пара и обладающего небольшим коэффициентом трения.

Сплав должен иметь предел прочности не ниже 35 кгс/мм2 .

Объяснить, почему в таких случаях не применяют нержавеющую сталь,

стойкую против коррозии в условиях воды и пара.

Указать состав и структуру цветного сплава, не содержащего дорогих элементов и пригодного для изготовления подобных зубчатых колес.

7. Вкладыши коренных и шатунных подшипников двигателей внутренне-

го сгорания изготавливают из бронзы, отличающейся высокими антифрикци-

онными свойствами и не содержащей особо дорогих элементов.

18

Подобрать состав сплава и привести способ изготовления из него деталей,

указать его строение и механические свойства, а также причины, по которым подобный сплав хорошо работает в условиях износа.

Для сравнения привести состав и строение других антифрикционных сплавов, обладающих более низкими температурами плавления и применяемых для заливки подшипников.

8. Отдельные высоконагруженные детали самолетов, например тяги управления, изготавливают из легкого сплава с пределом прочности не ниже

40-45 кгс/мм2 .

Привести состав и плотность сплава, а также режим термической обра-

ботки и указать структуру и механические свойства после операции термиче-

ской обработки. Указать способы повышения коррозионной стойкости детали из этого сплава.

Отдельные высоконагруженные элементы самолета можно изготовить также из сплава, имеющего плотность 4,5 г/см3 , предел текучести 75 кгс/мм2 и

обладающего очень высокой стойкостью против коррозии ( в частности, в мор-

ской воде). Указать сплав, соответствующий этим повышенным требованиям. 9. При значительном повышении скорости (за пределы скорости звука)

самолетов и других летательных аппаратов значительно нагревается обшивка и другие детали конструкции; поэтому обычно применяемые алюминиевые спла-

вы оказываются непригодными в указанных условиях службы.

Рекомендовать сплавы на основе металла с плотностью 4,5 г/см3 , с по-

вышенными механическими свойствами и удельной прочностью при темпера-

турах до 400-5000 С.

Привести состав сплава и его свойства при нормальных и повышенных температурах.

10. Для труб и других деталей, работающих в горячей азотной кислоте и в растворах хлористых солей, необходимы металлические сплавы, имеющие зна-

чительно большую стойкость, чем нержавеющие стали.

19

Выбрать марку сплава и охарактеризовать его стойкость против коррозии

всравнении со сталью 1Х18Н9Т.

11.Вращающиеся детали многих установок реактивной техники, нагре-

вающиеся до 500-6000С, необходимо изготовлять из сплавов с меньшей плотно-

стью (~4,5 г\см3 ), чем у стали.

Выбрать марку сплава и сравнить его жаропрочность (длительную проч-

ность для 1000 ч) при 5000С с аналогичными свойствами: а) дуралюмина; б)

жаропрочной стали 1Х18Н9Т.

12. Бесшовные трубы опреснительных установок, подающие морскую во-

ду, нагретую до 80-120 0С, целесообразно для повышения их долговечности из-

готовлять из сплава со значительно большей стойкостью против коррозии в этих условиях, чем у нержавеющей стали.

Выбрать марку сплава и сопоставить его свойства со свойствами нержа-

веющей стали 1Х18Н9Т.

13. Нержавеющие стали, в том числе высоколегированные аустенитного класса, не имеют достаточной стойкости в соляной кислоте.

Выбрать металл с плотностью ~4,5г⁄см3 для баков и трубопроводов, обла-

дающий высокой стойкостью в указанных условиях, и сравнить механические свойства выбранного сплава с аналогичными свойствами нержавеющей стали

1Х18Н9Т.

14. Детали самолетов, имеющих сравнительно сложную форму (педали,

рычаги, стойки педалей и т.п.), изготавливают из сплава с хорошими литейны-

ми свойствами, обладающего, кроме того, хорошей обрабатываемостью резани-

ем. Предел прочности сплава должен быть не ниже 22 кгс⁄мм2.

Рекомендовать состав сплава, а также режим термической обработки;

указать структуру и механические свойства в готовом изделии.

Сопоставить механические свойства и режим термической обработки вы-

бранного сплава с аналогичными свойствами и режимом термической обработ-

ки пластически деформируемого сплава на алюминиевой основе.

20