Лабораторная работа: Лабараторная работа номер 7

Лабораторная работа N 7

МИКРОСТРУКТУРА ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ НА

ИХ ОСНОВЕ

Цель работы — изучить основные свойства и области применения
меди, алюминия и сплавов на их основе, а также сплавов на основе
олова и свинца; освоить методики определения микроструктуры цветных
металлов и сплавов; научиться расшифровывать марки цветных металлов
и сплавов.

Медь и ее сплавы
Медь достаточно тяжелый металл (У = 8,9 г/см3

) с кристаллической
решеткой ГЦК, имеющий температуру плавления 1083°С. Чистая медь
имеет ряд ценных технических свойств. Она отличается высокой тепло-и
электропроводностью, хорошей коррозионной стойкостью. По
электропроводности медь занимает второе место после серебра, что
обусловливает ее преимущественное применение в электротехнике в
качестве материала для проводников электрического тока. По
теплопроводности медь также уступает только серебру и широко
используется в различного рода теплообменниках.
Медь обладает небольшой прочностью и высокой пластичностью:
предел прочности отожженной меди составляет 200 МПа, предел
текучести 80 МПа, поперечное сужение 80.,.95%, относительное
удлинение 35%.

- 45 -

Марки меди обозначаются прописной буквой М, справа от которой ставится номер:
М00(99.99% Си), МО (99,95% Си), Ml (99,9% Си),..., М4 (99,0% Си). Чем чище медь,
тем меньше ее номер. Все примеси снижают электропроводность меди. Для
проводников тока применяется чистая медь марок МО, Ml, а в электронике и
электровакуумной технике — бескислородная медь МОб (99,97% Си) и медь
вакуумной очистки МОО.
На рис. 7.1 показана микроструктура отожженной меди. Зерна меди имеют
форму неправильных многогранников с двойниками скольжения, характерными для
высокопластичных металлов с решеткой ГЦК.

Рис. 7.1. Микроструктура отожженной меди: зерна меди с двойниками

скольжения

В качестве конструкционного материала медь не получила применения из-за
низкой прочности. Сплавы на основе меди (латуни и бронзы) имеют более высокие
прочностные свойства и широко применяются в машиностроении.

Латуни

Латуни — сплавы меди с цинком. В технике применяют латуни с содержанием
цинка до 45%. При содержании цинка до 39% латуни однофазны: микроструктура
состоит из d-твердого раствора цинка в меди. Такие латуни пластичны, отличаются
высокой технологичностью, легко поддаются горячей и холодной обработке
давлением.

- 46 -

При увеличении содержания цинка от 39 до 45% структура латуней двухфазная: и
+ Р', где р' — твердый раствор на основе химического соединения GuZn. Структура
двухфазных латуней в литом состоянии состоит из светлых кристаллов й-фазы и
темных ?'- фазы (рис.7.2). Двухфазные латуни из-за наличия в структуре твердой р' -
фазы менее технологичны, чем однофазные и — латуни. Они подвергаются горячей
обработке давлением, так как мало пластичны в холодном состоянии.

Рис. 7.2. Микроструктура латуни- Л59 в литом состоянии: дендриты
й- и Р' - фаз
Латуни маркируют буквой Л. за которой следует цифра,
показывающая среднее содержание меди в сплаве. Например латунь
марки Л62 содержит 62% меди и, следовательно, 3856 цинка.
Кроме двухкомпонентных латуней (сплавов меди и цинка) применяют

специальные латуни, которые содержат дополнительно один или несколь-
ко элементов. Легирующие элементы имеют буквенное обозначение: А —

алюминий, Ж — железо, К — кремний, Н — никель, Мц — марганец, О —
олово, С —свинец. Числа, проставленные в той же последовательности,
что и соответствующие буквы, показывают процентное содержание меди и
легирующих элементов. Например латунь марки ЛАЖ60-1-1 имеет
следующий химический состав: Си - 60%, А1 - 1%. Fe - 1%, остальное

Zn. Легирующие элементы (кроме свинца) увеличивают прочность и твер-
дость латуни. А1. S1, N1 повышают сопротивление коррозии. Свинец

улучшает обрабатываемость латуней резанием. Алюминиевые латуни обла-
дают повышенной коррозионной стойкостью, из-за образования на

поверхности плотной защитной окисной пленки А^Оз.

Латуни применяются для изготовления деталей масло- и воздухоохла-
дителей, трубок конденсаторов, уплотнительных сегментов турбин,

работающих при температурах ниже 300°С, а также для изготовления

- 47 -

деталей. Несмотря на худшую по сравнению с медью электропроводность. латуни
марок Л68 и Л62, вследствие их меньшей стоимости, идут на изготовление некоторых
токоведущих деталей.

Бронзы

Бронзами называют сплавы меди с другими металлами, кроме цинка. Цинк может
входить в состав бронз, как добавка, но не является основным компонентом.
Бронзы обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошо
обрабатываются резанием, имеют хорошие литейные и высокие
антифрикционные свойства. Бронзы превосходят латуни в прочности и сопротивлении
коррозии, особенно в морской воде.
Маркируются бронзы следующим образом: индекс Бр означает название
сплава — бронза. Следующие за ним буквы указывают на наличие легирующих
элементов, а цифры — их содержание в сплаве ( в процентах). Например, бронза
марки БрОФЮ-1 имеет следующий химический состав: Sn — 10%, Р — 1%; остальное
Си.
Исходя из химического состава, бронзы делятся на оловянные и безоловянные.

Оловянные бронзы

Бронзы, содержащие менее 6% олова, имеют в литом состоянии однофазную
структуру й-твердого раствора олова в меди. Структура сплавов с 6...10% Sn в литом
состоянии — дендриты «-твердого раствора и участки эвтектоида й+б между ними (8-
твердый раствор на основе химического соединения Сиз i Brig) (рис. 7.3). С
увеличением содержания олова свыше 10%, вследствие присутствия в структуре
значительного количества хрупкого соединения CugiSny, пластичность оловянных
бронз резко снижается.
Однофазные бронзы относятся к деформируемым. Из них изготавливают
прутки, ленту, проволоку, пружины, мембраны. Примером может служить бронза
БрОФ4-0,25.
Двухфазные бронзы не прокатываются и не куются из-за наличия хрупкой 8-
фазы и применяются только в литом виде. Высокие литейные свойства бронз
определяются их малой усадкой (менее 1%, тогда как усадка латуней и чугуна 1,5%.
сталей — более 2%).

48

Рис. 7.3. Микроструктура бронзы БрОФЮ-1 в литом состоянии:
дендриты tf-твердого раствора (белого цвета) и
эвтектоид й+ Ci^iSng (темный) между ними

Одной из наиболее широко применяемых литейных бронз является бронза
БрОФЮ-1. Она отличается высокой коррозионной стойкостью и хорошими
антифрикционными свойствами. Эта бронза применяется для деталей, работающих
в условиях сильного износа при статических и ударных нагрузках: фрикционные и
зубчатые колеса, венцы червячных колес, вкладыши тяжело нагруженных
подшипников и др.

Безоловянные бронзы

К безоловянным бронзам относят сплавы меди с алюминием, кремнием,
бериллием и другими элементами.
Алюминиевые и кремнистые бронзы дешевле оловянных и вместе с тем
превосходят их по ряду качеств. Алюминиевые бронзы БрАЖ9-4, БрАЖНЮ-4-
4 имеют более высокие прочностные свойства. Кремнистые бронзы БрКМцЗ-1,
БрКЩ-З, благодаря высоким механическим свойствам, упругости и хорошей
коррозионной стойкости, применяют для изготовления пружин, пружинящих
деталей, работающих при температурах до 250°С в пресной и морской воде.
Бериллиевые бронзы (например, БрБ2) характеризуются высокими

механическими свойствами, коррозионной стойкостью, отличной износо-
стойкостью. Эти сплавы имеют высокую электро- и теплопроводность и могут

работать в интервале температур от -200 до +250°С. Бериллиевые бронзы
применяют для ответственных деталей, мембраны, пружины, детали, работающие
на износ (кулачки полуавтоматов), и т д Широкому применению бериллиевых
бронз препятствуют высокая стоимость и токсичность бериллия

- 49 -Алюминий и его
сплавы

Алюминий — металл с кристаллической решеткой ГЦК, имеющий
температуру плавления 658°С. Характерными свойствами алюминия являются
малый удельный вес У =2.72 г/см3

(он почти в 3,раза легче стали, у которой У - 7.8

г/см3
), высокая тепло- и электропроводность (около 60% от электропроводности
меди). Высокая электропроводность алюминия обусловливает широкое
применение его для проводников электрического тока.
Алюминий обладает высокой стойкостью против атмосферной коррозии (она
примерно в 20 раз больше, чем у стали), что объясняется образованием на его
поверхности окисной пленки А^Оз, защищающей его от взаимодействия с
окружающей средой. Алюминий характеризуется малой прочностью и высокой
пластичностью: предел прочности прокатанного и отожженного алюминия 60
МПа, предел текучести 20 МПа, относительное удлинение 40%. Алюминий
отличается высокой технологичностью, хорошо деформируется прокаткой.
Маркируют алюминий буквой А, за которой следует число,
соответствующее содержанию алюминия сверх 99%. Например в алюминии
высокой чистоты А995 содержится 99,995% А1, в алюминии технической чистоты
А5 — 99,5%. Основными примесями, загрязняющими алюминий, являются железо
и кремний.

Алюминиевые деформируемые сплавы

Алюминиевые сплавы в зависимости от технологии изготовления из них
деталей делятся на две группы: деформируемые и литейные, Деформируемые
алюминиевые сплавы в свою очередь подразделяются на сплавы, не упрочняемые
термической обработкой, и сплавы, упрочняемые термической обработкой.
К деформируемым, термически не упрочняемым сплавам, относятся сплавы
алюминия с марганцем и магнием. Содержание марганца в этих сплавах не
превышает 1,6%. а содержание магния находится в пределах от 2 до 7%.
Маркируются сплавы этой группы буквенными обозначениями АМц и АМг,
где индекс Мц означает марганец, a Mr — магний. Цифры, следующие за буквами,
показывают содержание второго компонента в процентах. Например сплав
алюминия с магнием АМгб содержит 6% магния.

- 50 -

Структура рассматриваемых сплавов представляет собой твердый раствор
марганца (или магния) в алюминии. Поскольку содержание этих элементов в сплавах
меньше предела их растворимости в твердом растворе при комнатной температуре, то
оно остается неизменным при нагреве и охлаждении сплавов. Поэтому такие сплавы
не упрочняются термической обработкой, а упрочняются наклепом при обработке
давлением.
Среди сплавов, упрочняемых термической обработкой, наиболее
распространенными являются дюралюмины — сплавы системы Al-Cu-Mg,
содержащие 4...5% меди и 0,5...1.5% магния.
В марках этих сплавов буквой Д обозначено название сплава — дюралюмин*. за
ней следует цифра или число, показывающие порядковый номер сплава в ГОСТе
(например Д1. Д16).
Микроструктура дюралюмина в отожженном состоянии состоит из и -твердого
раствора меди и магния в алюминии и включений химических соединений CuAlg,
AlgCuMg (рис.7.4).

Рис. 7.4. Микроструктура отожженного дюралюмина Д1: белые
зерна а-твердого раствора и включения интерметаллидов CuAlg
(темные точечные внутри зерен й-твердого раствора)

Максимальную прочность дюралюмины приобретают после термической
обработки, заключающейся в закалке и старении. Так, для сплава А1+4% Си предел
прочности в отожженном состоянии равен 200 МПа; после закалки он составляет 250
МПа,а после закалки и старения значительно возрастает, достигая 400 МПа.
От французского слова dure — твердый.

- 51 -

Естественное старение заключается в выдержке (вылеживании) закаленного
материала при комнатной температуре в течение нескольких суток; при
искусственном старении сплав нагревают до температуры Ю0...150°С, а время
выдержки сокращается до 10...20 час.
Широкое применение дюралюмины нашли в авиастроении, где из них
изготавливают обшивки и шпангоуты самолетов, а также при изготовлении
строительных конструкций, кузовов грузовых автомобилей и т.д.
Литейные алюминиевые сплавы

Литейные сплавы должны отвечать ряду технологических требований:
обладать хорошей жидкотекучестью, т.е. способностью хорошо заполнять литейную
форму; не иметь склонности к ликвации, т.е. иметь однородный химический состав
по сечению всего слитка и отдельных кристаллов; Обладать малой усадкой; иметь
низкую склонность к образованию трещин при кристаллизации.
Наиболее распространенными литейными алюминиевыми сплавами являются
силумины — сплавы алюминия с кремнием с содержанием кремния 8...13%.
Применяемые в промышленности силумины относятся к эвтектическим сплавам
со структурой (й+Sl) или доэвтектическим, структура которых состоит из первичных
кристаллов и и эвтектики (a+Si).
Механические свойства силуминов можно повысить путем измельчения
кристаллов кремния, входящих в состав эвтектики. Это может быть достигнуто
модифицированием, т. е. введением в расплав малых добавок (сотые доли процента)
натрия или лития. Измельчение структуры эвтектики приводит к улучшению
механических свойств. Так, предел прочности немодифицированного силумина
составляет 140 МПа при относительном удлинении 3%, а у модифицированного бд =
180 МПа, а 5 = 10%.
Микроструктура немодифицированного силумина показана на рис.7.5, а
модифицированного — на рис.7.6.
Маркируют силумины буквенным обозначением АЛ А означает, что сплав
алюминиевый, Л — литейный; далее следует цифра или число, показывающие
порядковый номер сплава в ГОСТе (АЛ2, АЛ9, АЛ32 и т.д.).
Силумины широко применяются для изготовления литых деталей сложной
формы: кронштейнов, блоков цилиндров двигателей, корпусов компрессоров и др.

52

Рис. 7.5. Микроструктура немодифицированного силумина АЛ2:
грубая эвтектика (с( + S1) с крупными игольчатыми

включениями кремния

^

Рис. 7.6. Микроструктура модифицированного силумина АЛ2:
зерна ct - твердого раствора (белые) и дисперсная эвтектика (и
+ S1) между ними

- 53 -Подшипниковые антифрикционные

сплавы

Подшипниковыми сплавами называют сплавы, из
которых изготавливают вкладыши подшипников скольжения. Для
этой цели применяют чугун, бронзу и легкоплавкие сплавы
на основе свинца, олова и алюминия, так называемые баббиты.
К подшипниковым материалам предъявляют следующие требования:
небольшой коэффициент трения, способность работать при
достаточно высоких нагрузках и высокая износостойкость.
К легкоплавким подшипниковым сплавам относятся сплавы
системы Pb-Sb, Sn-Sb, Pb-Sn-Sb. Лучшим антифрикционным
сплавом является баббит марки Б83, содержащий 83Х олова,
ИХ сурьмы, 6% меди. Структура этого сплава состоит из мягкой
основы а-твердого раствора сурьмы и меди в олове и твердых
включений химических соединений СчзЗп и SnSb. В процессе
работы твердые включения служат опорой для вращающегося вала, а
мягкая основа, срабатываясь при трении, способствует
образованию зазора, по которому поступает смазка. Это
обеспечивает низкий коэффициент трения в подшипнике.

Рис.7.7. Микроструктура баббита Б83: основа - твердый раетвор а и

кристаллы SnSb и (^Sn

Микроструктура баббита Б83 приведена на рис. 7.7. Темная основа
представляет собой й-твердый раствор сурьмы и меди в олове. Светлые
кристаллы квадратной формы являются соединением SnSb, а кристаллы
игольчатой формы — соединением Ci^Sn. Баббит Б83 применяется в
энергомашиностроении для заливки вкладышей и упорных колодок
подшипников паровых и газовых турбин, компрессоров, вкладышей

- 54 -Порядок выполнения
работы

Для проведения работы студенту предоставляются микроскоп и набор
микрошлифов цветных металлов и сплавов. Необходимо:
1) просмотреть под микроскопом все шлифы, зарисовать наблюдаемую

микроструктуру и стрелками указать на зарисовках структурные состав-
ляющие сплавов;

2) по микроструктуре определить состояние сплавов: литое

(модифицированное или немодифицированное), деформированное или отож-
женное;

3) изучить маркировку цветных металлов и сплавов, привести примеры
марок из ГОСТа наиболее распространенных в технике цветных металлов и
сплавов;
4) ответить на все вопросы бланка отчета.
ЛИТЕРАТУРА

1. Гуляев А. П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986. - 544 с.