Изучение микроструктуры цветных металлов.

Основные свойства ,классификация ,характеристика и применение цветных металлов . И микроструктура сплавов цветных металлов.

Лабораторная работа
«Изучение микроструктуры цветных сплавов»
Цель работы: изучить микроструктуру цветных сплавов, ознакомиться с маркировкой сплавов, установить связь между структурами и диаграммами сплавов.

Теоретическое обоснование

Медь и ее сплавы. Чистая медь – металл красновато-розового цвета с кристаллической решеткой ГЦК, температура плавления 1083°С, обладает высокой тепло- и электропроводностью, пластичностью и высокой коррозионной стойкостью.
В зависимости от чистоты металла медь изготавливают следующих марок: М00 (99,99% Сu), М0 (99,95% Cu), М1 (99,9% Cu), М2 (99,7% Cu),М3 (99,5% Cu).
Различают две основные группы медных сплавов: латуни и бронзы.
Сплав меди с цинком, называется латунью. Сплав меди со всеми другими элементами называют бронзами.
Латунь. Медь с цинком образуют твердые растворы с предельной растворимостью 39% (рис. 1). При большем содержании цинка образуются твердые растворы на базе электронного соединения CuZn (β-фаза), обладающего высокой хрупкостью. В зависимости от содержания цинка латуни делятся на однофазные α-латуни и двухфазные (α+β)-латуни, в которых цинка больше 39%.
Двойные латуни по структуре разделяются на две группы:
− однофазные латуни со структурой α-твердого раствора;
− двухфазные со структурой (α+β)-фаз.
Однофазные латуни обладают высокой пластичностью, поэтому они, в основном, выпускаются в виде холоднокатаных полуфабрикатов: полос, проволоки, лент, листов из которых изготавливают детали методом глубокой вытяжки (радиаторные трубки, сильфоны, трубопроводы, а также детали по условиям эксплуатации от которых не требуется высокая твердость (шайбы, втулки, уплотнительные кольца и др.).
В результате наклепа прочность α-латуней повышается, а пластичность уменьшается. Для снятия наклепа латуни подвергают кристаллизационному отжигу при 500–700°С.

Рис. 1 — Диаграмма состояния Cu – Zn (а)
и влияние цинка на механические свойства меди (б)
Микроструктура литой α-латуни (рис. 2) имеет дендритное строение. Под микроскопом дендриты, выпавшие из жидкости первыми и обогащенные медью, находятся в виде светлых участков; темные участки, представляют собой меж дендритное пространство, обогащенное цинком.

а) – микроструктура (× 250); б) – схема микроструктуры.
Рис. 2 — Литая α-латунь с 30% цинка марки Л70
а) – микроструктура (×100); б) – схема микроструктуры.
Рис. 3 — Деформированная и отожженная латунь

Микроструктура деформированной и отожженной латуни (рис. 3) имеет зернистое строение и характерные полоски двойников и отличается низкой твердостью и высокой пластичностью.
Вследствие различной ориентировки зерен (анизотропии) они травятся с разной интенсивностью, поэтому под микроскопом имеют различную окраску.
Микроструктура (α+β)-латуни (рис. 4) состоит из светлых полей α-латуни и темных полей β-латуни. Эта структура отличается несколько меньшей пластичностью и большей твердостью по сравнению с α -латунью.

Рис. 4 — Микроструктура (α+β)−латуни
Рис. 5 — Диаграмма состояния сплавов меди с оловом

Кроме простых латуней применяют специальные (легированные Al, Fe, Ni, Sn, Pb) латуни.
Все латуни по технологическому признаку подразделяются на деформируемые и литейные. Деформируемые латуни поставляются следующих марок: Л96, Л90, Л80, где Л – означает слово латунь, цифры целые доли процента меди, остальное цинк. Легированные латуни маркируются следующим образом: ЛАЖ60-1-1, где 60 означает целые доли процента меди, 1 – содержание алюминия в целых долях процента, соответственно Ж – железа, тоже 1%, остальное цинк.
Сплавы меди с оловом, свинцом, кремнием, алюминием и другими элементами кроме цинка называются бронзами. Диаграмма состояния меди с оловом (рис. 5) подобна диаграмме состояния меди с цинком.
В сплавах образуется α-твердый раствор олова и меди. Основой β-твердого раствора служит соединение Cu5Sn, а основой γ-твердого раствора служит соединение Cu31Sn8.
Микроструктура литой оловоносной бронзы, содержащей 10% олова, после травления 8% аммиачным раствором CuCl2 состоит из темных дендритов α−твердого раствора олова в меди (рис. 6), богатых оловом и содержащих эвтектоид α+Cu31Sn8, который выявляется путем травления 3%-ным раствором FeCl3 в 10%-ном HCl; последний хорошо выделяет светлый эвтектоид на темном фоне участков структуры, богатых оловом (рис.7).

Травление 8%-ным раствором CuCl2 (×250)
Рис. 6 — Оловоносная бронза;

Травление 3%-ным раствором HNO3 в 10%-ном растворе HCl (× 2000).
Рис. 7 — Оловоносная бронза

Двухфазные бронзы, содержащие олова более 5%, обладают хорошими антифрикционными свойствами. Двухфазные бронзы, содержащие в структуре твердый эвтектик, применяются только в литом виде.
Различают литые и деформируемые оловянные бронзы.
Деформируемые бронзы предназначаются только для пружин и пружинных деталей, структура их состоит из α−фазы. Маркируются: БрОФ6,5-0,15, где Бр означает – бронза, О – оловянная, олова 6,5%; Ф – легированная фосфором в количестве 0,15%; остальное медь.
Литейные бронзы имеют двухфазную структуру и маркируются по тому же принципу, как и деформируемые, например: БрОЦСН3-7-5-1, где олова 3%, цинка 7%, свинца 5%, никеля 1%, остальное медь. Из литейных бронз изготавливают антифрикционные детали, (втулки, подшипники, червячные пары и т. д.), а также арматуру, работающую в агрессивных средах.
Кроме оловянных бронз широко распространены алюминиевые бронзы марок БрА5, БрАНЖ 10-4-4 и т.д., свинцовые бронзы марки БрС30 и т.д., кремнистые бронзы, которые маркируются аналогично вышеописанной маркировки:БрКР1-3, БРКМц 3-1 и т.д.
Алюминиевые сплавы. Все сплавы на алюминиевой основе по технологическим признакам можно разделить на деформируемые и литейные, на упрочняемые термической обработкой и не упрочняемые термической обработкой (рис. 8).

Рис. 8 — Классификация алюминиевых сплавов по диаграмме
состояния алюминий – легирующий элемент (схема)
Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термообработкой, характеризуются невысокой прочностью, высокой пластичностью и высокой коррозионной стойкостью. К ним относятся сплавы алюминий-марганец (АМц) и (АМг). Эти сплавы являются однофазными.
Деформируемые сплавы, упрочняемые термообработкой являются двухфазными. Наиболее распространенным представителем сплавов, упрочняемых термической обработкой, является дуралюмин.
Литейные сплавы алюминия с кремнием называются силуминами. Часть диаграммы алюминия с кремнием приведена на рис 9.
Эти сплавы, как правило, содержат 6-13% Si, кремний ограниченно растворяется в алюминии, образуя α-фазу. При содержании 11,6% кремния образуется эвтектика, состоящая из α-фазы и практически чистых кристаллов кремния, поэтому механические свойства таких сплавов низки. Механические свойства этих сплавов повышают путем модифицирования.
Микроструктура силумина до модифицирования представлена на рис. 10, рис. 11, грубое строение эвтектики в микроструктуре сплава, а также наличие крупных первичных кристаллов кремния предопределяют низкие механические свойства сплава.
Рис. 9 — Диаграмма состояния
алюминий – кремний

Силумины модифицируют натрием или солями натрия в количестве 1% от массы жидкого сплава. В результате модифицирования температура кристаллизации избыточных кристаллов кремния и эвтектики понижается, что приводит к измельчению зерна и повышению механических свойств сплава.

Рис. 10 — Микроструктура силумина
до модифицирования (×200 Рис. 11 — Микроструктура силумина
после модифицирования (×200
Силумины с добавками меди, магния и марганца подвергают закалке с температуры 520-540°С, с целью повышения механических свойств. Искусственное старение проводят при 150-180°С в течение 10-20 ч.
Сплавы алюминия с медью, марганцем, магнием называют дюралюминием.
Дуралюмины хорошо деформируются в холодном и горячем состоянии. После холодной деформации дуралюмины подвергают рекристаллизационному отжигу при температуре 340-370°С.
Термическая обработка дуралюмина состоит из закалки от температуры 490-510°С с охлаждением в воде. После закалки дуралюмин подвергают старению, что придает ему высокую прочность и твердость. Естественное старение происходит при комнатой температуре в течение 5-7 суток. Искусственное старение проводят при 150-180°С в течение 2-4 часов. Микроструктура дуралюминов после закалки состоит из светлых кристаллов твердого раствора на основе алюминия и темных включений CuAl2 (рис 12). Типичными представителями деформируемых и литейных сплавов на алюминиевой основе являются дюралюминии (Д1, Д16 и др.) и силумин (АЛ2).
Рис. 12 — Микроструктура
дуралюминия (закалка и старение), ×200

Материалы и оборудование
1. Микроскоп МИМ-7.
2. Реактивы для травления: 8%-ный HNO3 в 10%-ном растворе HCl; 8%-ный раствор CuCl2; 4%-ный раствор HNO3 в спирте.
3. Фильтровальная бумага.
4. Станок для полирования шлифов.
5. Спирт для протирания шлифов.
6. Коллекция шлифов:
а) технически чистая медь;
б) литая латунь Л70 (α−латунь);
в) литая бронза марки БрОФ6,5-0,15;
г) алюминиевый сплав АЛ2, литье немодифицированное.

Задание
1. Изучить и кратко описать в отчете основные сведения о цветных металлах и сплавах.
2. Исследовать микроструктуры сплавов под микроскопом.
3. Схематично зарисовать структуры исследуемых шлифов в отчет, указав увеличение при котором проводилось исследование.
Контрольные вопросы
1. Какие бывают сплавы на основе меди.
2. Что называют латунью.
3. Что называют бронзой.
4. Как классифицируются цветные сплавы по способу изготовления деталей.
5. Как классифицируются латунь по равновесной структуре.
6. Как классифицируются цветные сплавы по способу упрочнения.
7. Что такое дуралюмин.
8. Что такое силумин.

Автор публикации

не в сети 1 неделя

Джамал Багаев

0
Комментарии: 1Публикации: 11Регистрация: 07-04-2020

Изучение микроструктуры цветных металлов.: 1 комментарий

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.