Базалеева_Наумова_Металлография_часть 2 (831914), страница 13
Текст из файла (страница 13)
е. отношением числавалентных электронов в соединении к числу атомов в нем. Выяснилось, что в рассматриваемых системах имеется три типа электронных соединений, которые образуются при определенной электронной концентрации:1) соединения типа β-латуней (латуни — это сплавы Cu — Zn,рис. 6.1) с электронной концентрацией 3/2 и ОЦК-решеткой;88Рис. 6.1. Диаграмма состояния Cu — Zn2) соединения типа γ-латуней с электронной концентрацией21/13 и сложной кубической решеткой, в которой на элементарную ячейку приходится 52 атома;3) соединения типа ε-латуней с электронной концентрацией7/4, имеющие кристаллическую гексагональную плотноупакованную (ГПУ) решетку.β-латуни можно рассматривать как твердые растворы на основе соединения CuZn.
В этом соединении один валентный электронCu и два валентных электрона Zn приходятся на два атома; такимобразом, электронная концентрация составляет 3/2. К этому жетипу соединений относятся CuBe, Cu3Al, Cu5Si, Cu5Sn и др. Аналогично γ-латуни можно рассматривать как твердые растворы на основе соединения Cu5Zn8, а ε-латуни — CuZn3.Сплавы на основе меди подразделяются на латуни, бронзы имедно-никелевые сплавы.ЛатуниСплавы меди с цинком называют латунями.
Рассмотрим фазысистемы Cu — Zn (см. рис. 6.1). α-фаза представляет собой твер89дый раствор цинка в меди с ГЦК-решеткой. Растворимость Zn вмеди очень велика, она достигает 36 % при комнатной температуре. Кроме того, эта растворимость имеет необычную температурную зависимость: при увеличении температуры до 454 °С она несколько возрастает (до 39 % Zn), однако при дальнейшем повышении температуры растворимость уменьшается и при 902 °Ссоставляет 32,5 % Zn.
На диаграмме (см. рис. 6.1) присутствуютчетыре промежуточные фазы: β, γ, ε и δ. Как было описано выше,β, γ и ε являются фазами Юм-Розери (электронными соединениями), кристаллическая решетка которых определяется электроннойконцентрацией. В β- и ε-фазах при температурах ниже 454 и270 С, соответственно, формируются упорядоченные структуры.-фаза представляет собой твердый раствор меди в цинке.Практическое применение нашли сплавы с концентрацией Znдо 45 %; по фазовому составу их подразделяют на α- и α+β-латуни.β-латуни из-за формирования в них сверхструктуры при комнатной температуре обладают высокой хрупкостью, в результате чегоони не поддаются холодной обработке давлением и в промышленном масштабе не применяются.
Однако β-латуни представляютинтерес как сплавы с «эффектом памяти формы» и как сверхупругие сплавы. Кроме того, следует отметить, что β-фаза в неупорядоченном состоянии обладает даже большей пластичностью, чемα-фаза.Микроструктура α-латуней в литом состоянии представленана рис. 6.2, а. На рисунке видны светлые дендриты и темноемеждендритное пространство.
Такая структура является результатом дендритной ликвации. После деформации и рекристаллизационного отжига в структуре α-латуней наблюдаются кристаллы полиэдрической формы с большим количеством двойниковотжига (рис. 6.2, б). В структуре двухфазных α+β-латуней присутствуют светлые зерна α-твердого раствора и темные зернаβ-фазы. Структура α+β-латуни в литом состоянии представленана рис. 6.2, в.Механические свойства сплавов системы Cu — Zn в зависимости от содержания цинка показаны на рис. 6.3.
Из графиков зависимостей видно, что цинк повышает и прочность, и пластичностьсплава. Такая закономерность является необычной: как правило,увеличение прочностных характеристик сопровождается снижени90Рис. 6.2. Структура латуней:а — литая α-латунь; б — α-латунь после рекристаллизационного отжига;в — литая α+β-латуньем пластичности. Пластичность Cu — Zn сплавов продолжает расти с увеличением концентрации цинка до перехода в двухфазнуюα+β-область. Прочность же продолжает расти до перехода в однофазное β-состояние. Рост пластичности α-латуней с увеличениемконцентрации цинка связан с его рафинирующим действием: оказывается Zn связывает кислород, который отрицательно влияет напластичность медных сплавов.
Такая зависимость механическихсвойств от содержания цинка объясняет, почему именно латуни ссодержанием цинка около 32 % (Л68) используют для производства гильз и других штампованных деталей.Латуни легко поддаются пластической деформации. α-латуни,пластичные при комнатной температуре, при температурах 300…700 °С уступают в пластичности β-фазе. Таким образом, α-латунидостаточно хорошо деформируются и в горячем, и в холодном состоянии, а двухфазные α+β-латуни подвергают горячей обработкедавлением либо в β-, либо в фазовых α+β-областях. α+β-латуниимеют бóльшую прочность и износостойкость по сравнению с αлатунями, а α-латуни в свою очередь обладают более высокой теплопроводностью, коррозионной стойкостью.К отрицательным свойствам латуней относится их склонностьк коррозионному растрескиванию, которое происходит во влажнойсреде при сохранении в металле остаточных напряжений.
Растрескиванию способствует присутствие в атмосфере следов аммиака,91Рис. 6.3. Механические свойства сплавов системы Cu — Zn в зависимости от содержания цинкааммонийных солей и серосодержащих газов. Это явление ещеназывают сезонным растрескиванием, так как оно чаще всегонаблюдается весной или осенью, когда влажность воздуха повышена.
Сезонное растрескивание проявляется в латунях с содержанием цинка более 20 %. Для предотвращения сезонного растрескивания применяют отжиг при температурах 250…270 °С, уменьшающий остаточные напряжения. Рекристаллизация при такомотжиге не происходит, и деформационно-упрочненный сплав сохраняет свои прочностные характеристики.В качестве легирующих элементов в латунях используют Pb,Al, Sn, Si, Fe, Mn, Ni, As и др. Все легирующие элементы, кромеNi, уменьшают растворимость цинка в меди и сдвигают областьсуществования β-фазы в сторону меньших концентраций Zn.
Легирование позволяет повысить прочностные характеристики латуней, их жидкотекучесть, коррозионную стойкость, обрабатываемость резанием и другие свойства.БронзыВ зависимости от основного легирующего элемента различаютоловянные, алюминиевые, свинцовые, бериллиевые и другие бронзы.92Бронзы, как латуни и алюминиевые сплавы, бывают литейными и деформируемыми.Оловянные бронзы — это сплавы меди с оловом, структура которых определяется диаграммой состояния Cu — Sn (рис.
6.4).α-фаза является твердым раствором олова в меди; замещая медь,Sn существенно упрочняет сплав. Так же как и на диаграммеCu — Zn здесь присутствует целый ряд электронных соединений:β-фаза — твердый раствор на базе соединения Cu5Sn с электронной концентрацией 3/2, γ-фаза — на базе соединения Cu31Sn8 сэлектронной концентрацией 21/13 и ε-фаза, базирующаяся на соединении Cu3Sn с электронной концентрацией 7/4. Медь в оловепочти не растворяется.Рис.
6.4. Диаграмма состояния Cu — SnВследствие малой скорости диффузии олова в меди равновесиев этих сплавах устанавливается очень медленно. Отраженное надиаграмме состояния эвтектоидное равновесие при 350 °С δ α + εи уменьшение растворимости олова в α-твердом растворе при тем93пературе ниже 520 °С реализуются только при очень продолжительных выдержках (порядка 10 000 ч) сильнонаклепанных образцов. Из-за большого различия между температурами ликвидус исолидус при кристаллизации в оловянных бронзах возникает сильная дендритная ликвация. В результате кристаллизующиеся первыми оси дендритов содержат не более 3 % Sn, тогда как в межосных пространствах концентрация олова доходит до 25 %.
Там же,в межосных пространствах, возникают усадочные поры. То, что воловянных бронзах отсутствует сосредоточенная усадочная раковина, а вместо нее существует значительная, распределенная повсему слитку, пористость, является преимуществом оловянныхбронз как литейного материала. При дальнейшем охлажденииобедненные оловом оси дендритов фазовых превращений не испытывают, а межосные пространства претерпевают эвтектоидныепревращения при 586 и 520 °С. Чтобы отразить это обстоятельство, на диаграмму состояния наносят пунктирные линии, характеризующие фазовый состав литых бронз и его отклонение отравновесного состояния. Линия неравновесного сольвуса идетвертикально, что отражает низкую скорость диффузии олова вмеди.Структура литых бронз с концентрацией олова менее 5 %представляет собой α-твердый раствор переменного состава(рис. 6.5, а).
В структуре литых бронз с содержанием олова более5 % между дендритными кристаллами α-фазы наблюдаются колонии эвтектоида (α+δ), имеющего голубой цвет (рис. 6.5, б). Гомогенизирующий отжиг при температурах 700…750 °С приводит квыравниванию концентрации олова по сечению зерна, растворению эвтектоида и формированию однофазного состояния. Послегомогенизирующего отжига проводят быстрое охлаждение и отжиг при 550 °С в течение 1 ч для снятия остаточных напряжений вотливке.Оловянные бронзы обычно легируют Zn, Fe, P, Pb, Ni.Из-за склонности к образованию рассеянных усадочных пороловянные бронзы имеют очень маленькую усадку — 0,8 %.
Длясравнения, усадка латуней и чугунов около 1,5 %. В сочетании свысокой коррозионной стойкостью и красивым цветом это качество позволило применять оловянную бронзу для художественного литья. Художественные бронзы содержат 10…15 % Sn и до94Рис. 6.5. Структура оловянных бронз с концентрациейолова меньше 5 % (а) и более 5 % (б)3 % Pb, который повышает плотность отливки и улучшает обрабатываемость резанием.Наличие хрупкой δ-фазы в составе эвтектоида делает бронзунепригодной к деформированию. Но в то же время твердый эвтектоид обеспечивает высокую стойкость против истирания. Такимобразом, оловянные бронзы с достаточно высоким содержаниемэвтектоида являются хорошим антифрикционным материалом,т.
е. материалом, работающим в условиях трения. Например, избронз изготавливают подшипники скольжения. Бронзы, обладающие высокими антифрикционными свойствами, обязательно легируют Pb, который дополнительно повышает антифрикционныесвойства, образуя в сплавах мягкую составляющую.Сплавы Cu — Sn высокой чистоты с концентрацией олова18… 22 % являются колокольными бронзами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
