Лекция 13-14 Цветные металлы


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
Тема 3 Раздел 2.

Цветные металлы и сплавы
.

Цветными

называют все металлы, кроме железа, кобальта и марганца, а также щелочных и
щелочноземельных металлов.

§
Классификация цветных металлов
.

Традиционно классификацию цветных металлов проводят по тому характ
ерному свойству, которое определяет
их преимущественное применение.
По этому принципу различают следующие
группы цветных металлов
:

1.

Легкие

(с плотностью меньше 5

г/см
3
):
Al
,
Mg
,
Be
,
Ti
.

2.

Тяжелые
:

Cu
,
Ni
.

3.

Тугоплавкие

(с температурой плавления
Т
пл

больше, чем
у железа, т.е. больше 1539

о
С):
W
,
Mo
,
Nb
,
V
,
Cr
,
Ta

и др.

4.

Легкоплавкие
:
Sn
,
Pb
,
Zn

и др.

5.

Драгоценные
:

Au
,
Ag
,
Pt

и др.

6.

Радиоактивные
:
U
,
Pu

и др.

Основные характеристики цветных металлов приведены в
таблице 1
.

Свойства и применение цветных металлов.
Наибо
льший объем производства среди цветных металлов и сплавов имеют три металла


алюминий, медь, титан


и
сплавы на их основе. Их рассмотрением мы ниже и ограничимся. В
таблице
2

приведены механические свойства технически чистых алюминия, меди и титана.
Видн
о, что в отожженном состоянии все три металла обладают высокой пластичностью (из них медь


наибольшей), а по прочности лидирует титан. Алюминий
имеет наименьшую прочность.

Применение

технически чистых цветных металлов основано на использовании их достоинс
тв, результат изучения которых представлен в
таблице 3
. Сопоставление
представленных данных позволяет сформулировать следующие отличительные черты трех металлов.

Достоинствами
алюминия

является низкая стоимость, высокая электро
-

и теплопроводность, низкая
плотность, высокая
удельная прочность


В
/ρ), хорошая
коррозионная стойкость во многих средах и высокая технологичность (возможность плавки и обработки давлением при невысоких тем
пературах в воздушной
атмосфере). К недостаткам относятся плохая обрабатываем
ость резанием и низкая жаропрочность.


Таблица

1


Атомно
-
кристаллическая структура и физико
-
механические свойства цветных металлов

Таблица

2


Механические свойства алюминия, меди и титана

Металл

Тип

решетки
при 20

о
С

Т
пл
,

о
С

Плотность

при 20

о
С,

г/см
3

Модуль Юнга
при 20

о
С ,

ГПа

Удельное электро
-

сопротивление,

мкОм·см

Теплопро
-

водность,

Вт/м·К

Al

ГЦК

660

2,70

72

2,67

238

Be

ГП

1287

1,85

310

3,3

194

W

ОЦК

3410

19,2

420

5,4

174

Au

ГЦК

1063

19,3

79

2,20

315

Mg

ГП

649

1,74

45

4,2

155

Cu

ОЦК

1083

8,9
6

125

1,69

394

Mo

ОЦК

2620

10,2

334

5,7

137

Ni

ГЦК

1455

8,9

205

6,9

88

Sn

ОЦТ

232

7,3

49

12,6

73

Pb

ГЦК

327

11,7

24

20,6

35

Ag

ГЦК

961

10,5

81

1,63

425

Ti

ГП

1670

4,5

108

54

21,6

Cr

ОЦК

1860

7,1

240

13,2

91

Zn

ГП

420

7,14

94

5,96

119,5


Металл

Мар
ка

Содержание


примесей, %

Состояние

σ
В
, МПа

δ, %

Al

А995

0,005

Литое

50

45

А0

1

Литое

90

25

Деформиро
-

ванное

140

12

Отожженное

90

30

Cu

М1

0,1

Литое

160

25

Деформиро
-

ванное

450

3

Отожженное

220

50

Ti

ВТ1
-
00

0,9

Отожженное

300

450

25

ВТ1
-
0

1,7

Отожженное

400

550

20


Медь

характеризуется высокой электро
-

и теплопроводностью, пластичностью и коррозионной стойкостью. Недостатки меди: высокая
плотность, плохая обрабатываемость резанием и низкая жидкотекучесть.


Таблица

3


Достоинства

и недостатки алюминия, меди и титана

Чистые металлы обычно используются в качестве шихты для изготовления сплавов и
иные применения довольно редки, однако медь и алюминий составляют исключение.
Как видно из таблицы 1, эти металлы имеют очень низкое удельн
ое электрическое
сопротивление. Медь по величине электрического сопротивления уступает лишь
серебру, а алюминий находится на четвертом месте (после золота). Стоимость золота и
серебра высока, поэтому для изготовления проводов, кабелей, шин и других элемент
ов
электрических цепей с высокой электрической проводимостью используют медь и
алюминий. В этом случае их относят к проводниковым материалам.


Характерная черта

Al

Cu

Ti

Низкая стоимость

+





Низкое удельное электрическое сопротивление

+

+



Высокая т
еплопроводность

+

+



Высокая коррозионная стойкость

+

±

+

Низкая плотность

+



+

Высокая прочность



±

+

Высокая удельная прочность

+



+

Высокая пластичность

+

+

+

Обрабатываемость давлением

+

+

+

Обрабатываемость резанием



±




Алюминий уступ
ает меди в электрической проводимости и прочности, но он значительно легче. При замене медного провода алюминиевым
последний должен иметь диаметр в 1,3 раза больше, но масса его при этом будет в 2 раза меньше. Малая масса алюминиевых провод
ов позволяет
уст
анавливать дорогостоящие опорные мачты на большом расстоянии друг от друга.

Благодаря высокой
теплопроводности алюминий и медь широко

используют в теплообменниках и холодильниках, автомобильных и тракторных
радиаторах.

Высокая коррозионная стойкость во мно
гих органических кислотах позволяет широко применять алюминий для изготовления посуды и
разнообразных емкостей. Сочетание коррозионной стойкости с высокой пластичностью дает возможность изготовлять и использовать
упаковочную
фольгу из алюминия.

К достоинст
вам
титана

относится высокая прочность и удельная прочность не только при комнатной температуре, но и в условиях глубокого
холода, а также высокая коррозионная стойкость. Недостатком титана является низкая теплопроводность (в 4 раза меньше, чем у ж
елеза, в

11 и 20 раз
меньше, чем у алюминия и меди соответственно). Из
-
за этого титан плохо обрабатывается резанием, налипает на инструмент, в результате чего тот
быстро изнашивается. Для титановых сплавов низкая теплопроводность приводит к невозможности осуществи
ть закалку деталей больших размеров
(слишком низкая прокаливаемость).

Титан


серебристо
-
белый легкий металл с плотностью 4,5

г/см
3
. Температура плавления титана зависит от степени чистоты и находится в
пределах 1660

1680
o
С. При температуре 882
o
С титан пре
терпевает полиморфное превращение, α
-
титан с гексагональной решеткой переходит в β
-
титан
с объемно
-
центрированной кубической решеткой. Наличие полиморфизма у титана создает возможности для улучшения свойств титановых сплавов

с
помощью термической обработки
.

При нормальной температуре титан обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосфере, в воде, в органических и неорганически
х
кислотах (не стоек в плавиковой, крепких серной и азотной кислотах), благодаря тому, что на воздухе быстро покрывается защитн
ой

пленкой плотных
оксидов. При нагреве выше 500

o
С становится очень активным элементом. Он либо растворяет почти все соприкасающиеся и ним вещества, либо
образует с ними химические соединения.

Указанные достоинства титана объясняют сложившиеся на практике о
бласти преимущественного применения титановых сплавов:



авиация и ракетостроение (корпуса двигателей, баллоны для газов, сопла, диски, детали крепежа);



химическая промышленность (компрессоры, клапаны, вентили для агрессивных жидкостей);



оборудование для обр
аботки ядерного топлива;



морское и речное судостроение (гребные винты, обшивка морских судов, подводных лодок);



криогенная техника (высокая ударная вязкость сохраняется до

253

o
С).

Примеси в цветных металлах
.
Каждый металл обладает набором химических элем
ентов
-
спутников, всякий раз появляющихся в химическом составе
технически чистых металлов из
-
за присутствия в исходной руде или привнесения в состав при выплавке или другом методе получения (таблица 4).

Таблица 4


Основные примеси в цветных металлах

Ме

Пос
тоянные примеси

Взаимодействие с металлом
-
основой

Полезный эффект

Вредный эффект

Al

Fe, Si, Cu, Zn, Ti

Растворение

Упрочнение

Снижение пластичности

Cu

Al, Fe, Ni, Sn, Zn, Ag

Растворение

Упрочнение

Снижение пластичности

Pb

Образование легкоплавких эвтек
тик

Улучшение обрабатываемости резанием

Горячеломкость

Bi

Нет

Горячеломкость + охрупчивание

O

Образование тугоплавких эвтектик

Нет

Водородная болезнь

S, Se,Tl

Снижение пластичности

Ti

H, O, N, C, Fe, Si

Образование промежуточных фаз

Незначительно
е упрочнение

Охрупчивание, ухудшение коррозионной
стойкости

Важность учета примесей иллюстрирует также приводившаяся выше таблица
8
.2. Увеличение содержания растворимых примесей упрочняет
металл, одновременно снижая его пластичность. Все примеси, особенно

входящие в твердый раствор, снижают электропроводность.


§2.
Классификация сплавов цветных металлов
.
Для описания цветных сплавов применяют несколько классификаций:



по химическому составу, или, другими словами, по вводимым в состав легирующим элементам (п
омимо прямолинейного способа описания путем
указания системы компонентов, например, ©сплавы
Al
-
Cu
-
Mg
ª, используются специальные названия для некоторых сплавов определенных систем и
составов, например, сплавы
Cu
-
Zn

называются латунями, а сплавы
Al
-
Mg
-
Si



а
виалями);



по фазовому состоянию в отожженном состоянии (например, различают однофазные α
-
и двухфазные (α+β)
-
латуни, а для титановых сплавов
используют названия α
-
, псевдо α
-
, (α+β)
-
сплавы);



по областям преимущественного применения (например, патронная лату
нь);



по основной характеристике, определяющей особенности применения (так, сплавы на основе алюминия относят к группе материалов с

малой
плотностью, титановые сплавы


к материалам с высокой удельной прочностью, медные сплавы


к материалам с особыми техно
логическими
свойствами);



по технологическим способам, используемым для получения изделий из рассматриваемого сплава (деформируемые, литейные, спекаемы
е сплавы);



по возможности упрочнить сплав с помощью термической обработки (термически упрочняемые и терми
чески неупрочняемые).

§ 3.
Маркировка цветных металлов и сплавов

Алюмини
й

маркируют буквой А, за которой следуют цифры, указывающие десятые, сотые или тысячные доли процента содержания алюминия.
Например, алюминий марки А995 содержит не менее 99,995

%

Al
,

А99


99,99

%

Al
, А7


99,7

%

Al

и А0


99,0

%

Al
. Отечественной
промышленностью выпускается алюминий особой чистоты (А999), высокой чистоты (А995, А99, А97, А95) и технической чистоты (А85
, А8, А7, А6,
А5 и А0)
.

Деформируемый алюминий

обозначают буквами
АД и цифрами, которые условно характеризуют чистоту металла. Деформируемый алюминий марки
АД00 содержит не менее 99,7, АД0


99,5, АД1


99,3 и АД


98,8

%
Al
.

В марках

алюминиевых сплавов

первые буквы характеризуют тип сплава: Д


сплавы типа дуралюминов;

АК


ковкие алюминиевые сплавы; В


высокопрочные сплавы; АЛ


литейные сплавы. Далее указывается условный номер сплава. За условным номером следует обозначение,
характеризующее состояние сплава: М


мягкий (отожженный); Т


термически обработанный (закал
ка плюс старение); Н


нагартованный; П


полунагартованный.

Медь

маркируется буквой М (к которой в случае высшей чистоты добавляются буквы ВЧ) и цифрами (условным номером), отражающими содер
жание
меди. Например, в меди марки МВЧк суммарное содержание меди

и серебра (частого спутника меди в месторождениях) не менее 99,993

%, М00к


99,99, М0б


99,97, М0к


99,95, М1к и М1р


99,9, М2 и М2р


99,7, М3 и М3р


99,5

%. В конце марки ставится буква, характеризующая способ
рафинирования (очистки)


конечной ста
дии получения меди:

к



катодная (электролитическое рафинирование);

б



бескислородная (медь, полученная плавкой в вакууме);

р



раскисленная (с уменьшенным
содержанием кислорода за счет введения в расплав раскислителя, чаще всего фосфора,


элемента, связ
ывающего кислород в оксид, который
всплывает на поверхность расплава и легко удаляется).

Если такой буквы нет (марки М2 и М3), то это указывает на медь огневого рафинирования.

Следует обратить внимание на то, что техническая медь, полученная с помощью разн
ых способов рафинирования, при одинаковом содержании меди
имеет разное содержание кислорода и, следовательно, разные свойства. Например, в меди марки М2р содержится не более 0,01

%О, а в меди М2
кислорода больше


до 0,07

%.

Деформируемые латуни

маркируютс
я буквой Л, за которой следует число, показывающее содержание меди в процентах, например в латуни Л62
содержится 62

% меди и 38

% цинка. Если, кроме меди и цинка, имеются другие элементы, то ставятся их начальные буквы (О


олово, С


свинец, Ж


железо, Ф



фосфор, Мц


марганец, А


алюминий, Ц


цинк). Содержание этих элементов обозначается соответствующими числами после числа,
показывающего содержание меди, например, сплав ЛАЖ60
-
1
-
1 содержит 60 % меди, 1 % алюминия, 1 % железа и 38 % цинка.

Литейные лат
уни

также маркируются буквой Л. После буквенного обозначения основного легирующего элемента (цинк) и каждого последующего
ставится цифра, указывающая его усредненное содержание в сплаве. Например, латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2 содержит 23

% цинка, 6

% алюминия, 3

%
ж
елеза, 2

% марганца.

При маркировке
деформируемых бронз

на первом месте ставятся буквы Бр, затем буквы, указывающие, какие элементы, кроме меди, входят в состав
сплава. Буквенные обозначения легирующих элементов приводят в порядке убывания их концентрации.

В конце марки в той же последовательности
указывают числа, показывающие содержание компонентов в сплаве. Например, марка БрОФ10
-
1 означает, что в бронзу входит 10

% олова, 1

%
фосфора, остальное


медь.

Маркировка
литейных бронз

также начинается с букв Бр
, затем указываются буквенные обозначения легирующих элементов, и ставится число,
равное их среднему содержанию в сплаве. Например, бронза БрО3Ц12С5 содержит 3

% олова, 12

% цинка, 5

% свинца, остальное


медь.

Титановые сплавы

маркируют буквами, чаще всег
о ВТ или ОТ, за которыми следует число, обозначающее условный номер сплава (например, ВТ5
-
1,
ОТ4
-
1, ВТ20). Так же, как сплавы, маркируют технически чистый титан


выпускаются две марки: ВТ1
-
00 и ВТ1
-
0 (сумма примесей не более 0,9 и
1,7

%, соответственно).
В конце марки литейного сплава добавляют букву Л (например, ВТ5Л, ВТ20Л0).


§
4

Сплавы на основе меди
.
Медные сплавы по химическому составу делят на бронзы, латуни и медноникелевые сплавы.

Латуни


это сплавы меди, в которых главной добавкой является цинк.

Бронзы



это сплавы меди, в которых основной добавкой является любой элемент, кроме цинка и никеля. Различают оловянные и безоловянные

бронзы. Безоловянные бронзы подразделяют по основному легирующему элементу на алюминиевые, бериллиевые, свинцовые, хромо
вые и др.

БРОНЗЫ.

4
.1

Оловянные бронзы
.
При добавке к меди олова образуется твердый раствор замещения α на основе меди (рисунок 1). При содержании
олова в сплаве больше 9,1

% (ат.), что составляет 15,8

% по массе, при 520

о
С по эвтектоидной реакции γ



α

+

δ образуется промежуточная фаза δ, по
составу примерно отвечающая стехиометрической формуле
Cu
31
Sn
8
. Отраженное на диаграмме состояния при 350

о
С эвтектоидное превращение
δ



α

+

ε реализуется только при громадных выдержках (до 10000

ч) сильно деформирова
нных образцов. Объясняется это чрезвычайно медленной
диффузией олова в меди.

В промышленных условиях скорость охлаждения оказывается слишком большой для того, чтобы реализовывались условия равновесия.
Склонность оловянных бронз к отклонению от равновесия

проявляется в следующих чертах:

1. При кристаллизации формируется дендритная, или внутризеренная, ликвация (содержание олова в центре зерен α
-
фазы меньше, чем вблизи их
границ; другими словами, центральные части зерен, формирующиеся при кристаллизации рань
ше и при более высокой температуре, обогащены более
тугоплавким компонентом


медью).

2. При высоких температурах растворимость олова в α
-
фазе понижена по сравнению с равновесным значением; линия неравновесного солидуса,
характеризующая химический состав α
-
фазы в процессе кристаллизации, идет левее равновесного солидуса, изображенного на диаграмме фазового
равновесия (рисунок 1).

3. Отсутствует температурная зависимость олова в α
-
фазе, т.к. диффузия олова практически не идет и состав α
-
фазы ©замороженª, т.
е. остается
примерно таким же, каким он сформировался в процессе неравновесной кристаллизации. В условиях равновесия уменьшение температу
ры должно
было бы сопровождаться сначала (до 520

о
С) увеличением содержания олова, а затем его снижением.

4. Не происхо
дит низкотемпературное (при 350

о
С) эвтектоидное превращение δ



α

+

ε.

5. При низких температурах вместо равновесной фазы

ε присутствует неравновесная фаза δ.



Рисунок 1
-

Диаграмма состояния
Cu
-
Sn
.

Рисунок 2
-

Схема микрост
руктуры (
а
) и пространственного
распределения концентрации олова в α
-
фазе (
б
) для сплава БрО10

Описанные черты иллюстрирует рисунок 2, на котором представлена схема микроструктуры бронзы марки БрО10 (
а
) и пространственное
распределение содержания олова в
α
-
фазе вдоль отрезка АС (
б
). Отметим, что в микроструктуре этого сплава с 10

% (масс.)

Sn

присутствует
неравновесный эвтектоид (α+δ), хотя по диаграмме фазового равновесия эвтектоидной реакции γ



α

+

δ в сплаве такого состава не должно
α

α

α

А

В

С

Эвтектоид (α+δ)

А

В

С

а

б

%
Sn

происходить. В лито
м состоянии из
-
за дендритной ликвации эвтектоид (α+δ) появляется при ≈

6

%

Sn
. Неодинаковое содержание олова внутри зерна α
-
фазы на отрезке АВ (рисунок 2,

б
) иллюстрирует явление дендритной ликвации. Оловянные бронзы очень склонны к ликвации из
-
за большого

температурного интервала кристаллизации.

Благодаря ликвации сплавы с содержанием олова выше 6

% имеют в структуре эвтектоидную составляющую (α+δ), состоящую из мягкой и
твердой фаз. Такое строение является благоприятным для деталей типа подшипников скольж
ения: мягкая фаза обеспечивает хорошую
прирабатываемость, твердые частицы создают износостойкость. Поэтому оловянные бронзы являются хорошими антифрикционными матер
иалами.

Оловянные бронзы имеют низкую объемную усадку (около 0,8 %), что в сочетании с корро
зионной стойкостью в воздушной атмосфере и
красивым цветом сделало эти материалы незаменимыми для художественного литья. Наличие фосфора обеспечивает хорошую жидкотекуч
есть,
поскольку фосфор является раскислителем и удаляет кислород, тем самым предотвращая

образование твердых и хрупких частиц так называемой
©оловянной кислотыª
SnO
2
.

Литейные бронзы

с низким содержанием олова,

например, БрО3Ц7С5Н1 и БрО4Ц4С17, используют в качестве заменителя дефицитного олова
цинк и применяются для изготовления пароводяной

арматуры и для отливок антифрикционных деталей типа втулок, венцов червячных колес,
вкладышей подшипников.

В
деформируемых бронзах

содержание олова не должно превышать 6

% для обеспечения необходимой пластичности. Деформируемые
оловянные бронзы или полнос
тью однофазные, или содержат в виде включений небольшое количество второй фазы (
Cu
31
Sn
8
,
Cu
3
P
). Примером
оловянной бронзы, обрабатываемой давлением, является сплав марки БрОФ6,5
-
0,15, который применяют для изготовления различных упругих
элементов, в частно
сти, силовых токоведущих пружинных контактов.

В зависимости от состава деформируемые бронзы отличаются высокими механическими, антикоррозионными, антифрикционными и упруги
ми
свойствами, и используются в различных отраслях промышленности. Из этих сплавов из
готавливают прутки, трубы, ленту, проволоку.

4.2

Алюминиевые бронзы

Алюминиевые бронзы


наиболее многочисленная группа безоловянных бронз. При добавке к меди алюминия образуется твердый раствор
замещения α (рисунок 3), предельная растворимость алюминия в
котором при понижении температуры с 1032 до 565

о
С увеличивается от 7,4 до 9,4

%
(по массе). Столь крутой наклон линии предельной растворимости приводит к исчезновению эвтектики, образовавшейся при 1032

о
С.

Бронзы с содержанием алюминия до 9,4

% имеют одно
фазное строение α
-
твердого раствора. При содержании алюминия 9,4

15,6

% сплавы
системы медь

алюминий двухфазные и состоят из α и γ
2
-
фаз (γ
2


промежуточная фаза переменного состава со сложной кубической решеткой). В
двухфазных бронзах при охлаждении прои
сходит эвтектоидное превращение (при 565

о
С) β



α

+

γ
2
. Перитектоидная реакция при 363

о
С в
промышленных условиях не реализуется.

При реальных скоростях охлаждения, в отличие от равновесного состояния, эвтектоид появляется в структуре сплава при 6

8

%

Al
.

Наличие
эвтектоида приводит к резкому снижению пластичности. С увеличением содержания алюминия до 10

11

% прочность продолжает расти.

На практике используют однофазные алюминиевые бронзы, содержащие 5

8

% алюминия (БрА5, БрА7), и двухфазные доэвтектоидны
е бронзы
с большим содержанием алюминия (БрА10, БрАЖ9
-
4, БрАЖМц10
-
3
-
1,5).

Однофазные бронзы (БрА5, БрА7), имеющие хорошую пластичность, относятся к деформируемым. Они обладают наилучшим сочетанием
прочности (σ
В

=

400

450

МПа) и пластичности (δ

=

60

%).

Дву
хфазные бронзы используют в качестве литейных или деформируемых в горячем состоянии. Особенностью двухфазных бронз является т
о,
что их можно подвергать упрочняющей термической обработке. При быстром охлаждении (закалке в воде) от температуры однофазного

со
стояния
(950

о
С) β
-
фаза испытывает не эвтектоидное, а мартенситное превращение β



β

. Особенность мартенсита β


в двухфазных алюминиевых бронзах


его невысокая прочность. Упрочнения достигают не в результате закалки, а в результате отпуска при 250

300

о
С. При отпуске образуются
упрочняющие сплав очень мелкие частицы γ
2
-
фазы.




Рисунок 3
-

Диаграмма состояния
Cu
-
Al
.

Рисунок

4
-

Диаграмма состояния
Cu
-
Be
.

Положительные особенности алюминиевых бронз по сравнению с
оловянными:



меньшая склонность к внутрикристаллической (дендритной) ликвации;



большая плотность отливок;



более высокая прочность и жаропрочность;



меньшая склонность к хладноломкости;



меньшая стоимость.

Основные недостатки алюминиевых бронз:



значительная усадка;



склонн
ость к образованию столбчатых кристаллов при кристаллизации
и росту зерна при нагреве, что охрупчивает сплав;



сильное газопоглощение и окисляемость жидкого расплава;



самоотпуск при медленном охлаждении;



недостаточная коррозионная стойкость в перегретом пар
е.


Д
ля устранения этих
(см. выше)
недостатков сплавы дополнительно легируют марганцем, железом, никелем, свинцом.

Из алюминиевых бронз изготавливают относительно мелкие, но высокоответственные детали типа шестерен, втулок, фланцев литьем и

обработкой дав
лением. Из бронзы БрА5 штамповкой изготавливают медали и мелкую разменную монету.

4.3

Бериллиевая бронза
.
Классический представитель термически упрочняемых бронз


бериллиевая бронза БрБ2. По составу она близка к точке
предельной растворимости бериллия в м
еди при перитектической температуре (рисунок 4).

Важной особенностью диаграммы является то, что с понижением температуры растворимость бериллия в меди резко падает. Бронзу Бр
Б2 закаливают с
780

о
С в воде и подвергают старению при 320

о
С в течение 2

ч. Зака
лка фиксирует высокотемпературное однофазное состояние (пересыщенный
твердый раствор α). При старении из пересыщенного α
-
раствора выделяются дисперсные частицы метастабильной фазы γ

CuBe
, что
приводит к сильному упрочнению. Если до закалки (в отож
женном состоянии) предел прочности равен 550

МПа, то после закалки он даже
уменьшается до 500 МПа. Зато старение повышает предел прочности до 1200

МПа. Состаренная бериллиевая бронза имеет рекордный для медных
сплавов предел упругости (σ
0,002

=

800

МПа), п
оэтому ее широко используют для изготовления упругих элементов. Недостаток бериллиевой бронзы


высокая токсичность паров бериллия.

ЛАТУНИ.
Медь с цинком образует твердый раствор (α) с ГЦК решеткой и
предельной концентрацией цинка 39

% (рисунок 5). При бол
ьшем содержании
цинка образуется промежуточная фаза β состава
CuZn
, имеющая ОЦК
решетку. При температуре 454

468

о
С происходит упорядочение (в
упорядоченной фазе β

цинка, и наоборот, атомы цинка в качестве ближ
айших соседей имеют атомы
меди). Упорядочение β
-
фазы сопровождается значительным повышением ее
твердости и хрупкости, поэтому сплавы, состоящие из одной β

-
фазы, не
используют.

Практическое значение имеют латуни, содержащие до 45

%

Zn
. По виду
легирования

латуни подразделяют на двойные (простые) и
многокомпонентные (специальные, или легированные). По фазовому составу
латуни делятся на однофазные и двухфазные: различают α
-
латуни и (α+β)
-
латуни. В двухфазных латунях при комнатной температуре нет β
-
фазы, а ес
ть
упорядоченная фаза β

-
латуньª это не принято
указывать, хотя именно из
-
за упорядочения β

-
фаза и содержащая ее латунь
имеет пониженную пластичность.

Прямо противоположная картина наблюдается при высоких
температурах: β
-
фаза пласт
ичнее и обладает значительно меньшим
сопротивлением деформированию, чем α
-
фаза. Поэтому двухфазные латуни
нагревают под горячую обработку давлением в β
-
область или до таких
температур (α+β)
-
области, где доля β
-
фазы превышает 50

%.

По способу изготовления и
зделий различают латуни
деформируемые

и
литейны
е.


Рисунок

5
-

Диаграмма состояния
Cu

Zn
.

Однофазные α
-
латуни используются для изготовления деталей деформированием в холодном состоянии. Из них изготавливают ленты, гильзы
патронов, радиаторные трубки, п
роволоку.

Для изготовления деталей деформированием при температуре выше 500

o
С используют (α+β)
-
латуни. Из двухфазных латуней изготавливают листы,
прутки и другие заготовки, из которых последующей механической обработкой изготавливают детали.

Наиболее шир
око применяют двойные латуни марок Л90, Л68 и Л63.

Однофазная латунь Л90, называемая
томпаком
, обладает хорошей коррозионной стойкостью и имеет красивый золотистый цвет. Ее используют для
изготовления радиаторных трубок, знаков отличия и фурнитуры.

Так наз
ываемая
патронная латунь

Л68 из
-
за более высокой концентрации цинка прочнее, чем Л90, и обладает наибольшей среди всех двойных
латуней пластичностью (δ

=

55

%). Патронную латунь широко используют для изготовления изделий холодной штамповкой и глубокой вытя
жкой.

Латунь Л63, называемая
торговой
, среди всех латуней занимает первое место по объему производства. Она самая прочная из рассмотренных латуней.

Легирование позволяет улучшить некоторые свойства латуней.

Обрабатываемость резанием улучшается присадкой в
состав латуни свинца, например, как в латуни марки ЛС59
-
1, которую называют
автоматной
латунью
. Название связано с применением ЛС59
-
1 в массовом производстве для быстрой обработки резанием на станках
-
автоматах, в частности, в
часовой промышленности. Свинцо
вая (α+β)
-
латунь ЛС59
-
1 по объему производства находится на втором месте, уступая в этом лишь латуни Л63.

Следует подчеркнуть, что свинцом можно легировать только двухфазную латунь. Свинец практически нерастворим в α и β
-
фазах и находится в латуни
в виде
мелких округлых включений. В однофазной α
-
латуни свинец является вредной примесью, вызывающей горячеломкость, и его концентрация не
должна превышать 0,03

%. В двухфазных же латунях вследствие α↔β
-
превращения легкоплавкий свинец, при температуре горячей деф
ормации
превращающийся в жидкую фазу, находится не по границам, а внутри зерен твердого раствора. Из
-
за этого свинец не вызывает горячеломкости даже
при концентрациях до 3

%.

Латуни имеют хорошую коррозионную стойкость, которую можно повысить дополнительно

присадкой олова. Оловянная α
-
латунь ЛО70
-
1 стойка
против коррозии в морской воде и называется
морской латунью
.

Наилучшей жидкотекучестью обладает латунь марки ЛЦ16К4. К литейным латуням относятся латуни типа ЛС, ЛК, ЛА, ЛАЖ, ЛАЖМц. Лите
йные
латуни не скло
нны к ликвации, имеют сосредоточенную усадку, отливки получаются с высокой плотностью.

Латуни являются хорошим материалом для конструкций, работающих при отрицательных температурах.

§ 5 Алюминиевые сплавы. Общая характеристика алюминиевых сплавов

Основными

легирующими элементами алюминиевых сплавов являются
Cu
,
Mg
,
Mn
,
Si
,
Zn
. Многие легирующие элементы образуют с
алюминием твердые растворы переменной ограниченной растворимости и промежуточные фазы:
CuAl
2
,
Mg
2
Si

и др. (рисунок

6).

Наличие уменьшающейся пр
и охлаждении ограниченной растворимости в твердом состоянии дает возможность подвергать сплавы
упрочняющей термической обработке. Она состоит из закалки на пересыщенный твердый раствор и естественного или искусственного
старения.

Алюминиевые сплавы классиф
ицируют по технологии изготовления (деформируемые, литейные, спечённые), способности к термической
обработке и свойствам (рисунок 6).

5.1

Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой

Сплавы, не упрочняемые термической обработкой, получаются
при введении в алюминий марганца или магния. Эти элементы существенно повышают
его прочность, снижая пластичность. Обозначаются сплавы: с марганцем


АМц, с магнием


АМг; после обозначения элемента указывается его
содержание (например, АМг6).

Магний дейст
вует только как упрочнитель, марганец упрочняет и повышает коррозионную стойкость.

Прочность сплавов повышается только в результате деформации в холодном состоянии. Чем больше степень деформации, тем значител
ьнее растет
прочность и снижается пластичность.
В зависимости от степени упрочнения различают сплавы, находящиеся в нагартованном (АМгН


80

% наклепа)
и полунагартованном (АМгП


40

% наклепа) состояниях.

Эти сплавы применяют для изготовления различных сварных емкостей для горючего, азотной и других ки
слот, мало
-

и средненагруженных
конструкций.


Магний действует только как упрочнитель, марганец упрочняет и повышает коррозионную стойкость.

Прочность сплавов повышается только в результате деформации в холодном состоянии. Чем больше степень деформации, те
м значительнее
растет прочность и снижается пластичность. В зависимости от степени упрочнения различают сплавы, находящиеся в нагартованном
(АМгН


80

%
наклепа) и полунагартованном (АМгП


40

% наклепа) состояниях. Эти сплавы применяют для изготовления ра
зличных сварных емкостей для
горючего, азотной и других кислот, мало
-

и средненагруженных конструкций.



Рисунок 6
-

Диаграмма состояния алюминий


легирующий элемент
(схема):

ДС


деформируемые спла
вы; ЛС


литейные сплавы; НС и УС


сплавы, неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой
соответственно.

Рисунок

7
-

Схема влияния на твердость продолжительности старения при
трех температурах


5.2
Деформируемые

сплавы, упрочняемые термической обраб
откой

К термически упрочняемым деформируемым сплавам относят:



дуралюмины

(сплавы системы
Al



Cu



Mg
, обычно с добавкой марганца для повышения коррозионной стойкости);



высокопрочные стареющие сплавы

(
Al



Zn



Mg



Cu
);



авиали

(
Al



Mg



Si)
;



ковочные с
плавы

(
Al



Mg



Si



С
u

и
Al



Cu



Mg



Fe



Ni
).

Дуралюмины

получили наибольшую известность среди всех алюминиевых сплавов, так как именно при исследовании первого дуралюмина (
Al



4

%

Cu



0,5

%

Mg



0,5

%

Mn
) в 1906 г. было открыто явление старения, к
оторое стало одним из основных способов упрочнения сплавов на разной
основе. Этот дуралюмин используют до сих пор под маркой Д1. С появлением дуралюмина связано начало металлического самолетостр
оения.

В настоящее время среди дуралюминов наибольшее примене
ние имеет сплав Д16 (
Al



4,3

%

Cu



0,6

%

Mg



0,6

%

Mn
). В дуралюминах разного
состава в состоянии равновесия наблюдаются следующие фазы: твердый раствор меди и магния в алюминии (α
-
фаза), фаза
Al
2
Cu

(θ),
Al
2
CuMg

(
S
-
фаза)
и
Al
6
CuMg
4


-
фаза). С понижение
м температуры растворимость меди и магния в α
-
фазе понижается. По этой причине может быть получен
пересыщенный твердый раствор при закалке, а затем проведено старение.

Н

τ

Т
3

Т
2

Т
1

Т
1


Т
2


Т
3

α

α

+

L

L

α

+ θ

ДС
С

ЛС


НС


УС


Al

Легирующий элемент


Т

Старение



это термическая обработка сплава, прошедшего закалку без полиморфного превращ
ения. Старение проводят путем нагрева
пересыщенного твердого раствора до температуры ниже линии ограниченной растворимости на диаграмме состояния. Основным процесс
ом,
происходящим при старении, является распад пересыщенного твердого раствора.

Изменения стр
уктуры при старении сводятся к образованию выделений новой фазы, которая играет роль упрочнителя сплава. Образующиеся
выделения имеют разную форму, размеры и взаимное расположение в зависимости от состава сплава и условий старения (температуры

и
продолжите
льности выдержки). Размеры выделений обычно порядка 10

100

нм, что меньше разрешения светового микроскопа. Поэтому наблюдать
структурные изменения при старении можно только с помощью электронного микроскопа.

Распад пересыщенного твердого раствора при старе
нии может происходить в одну или несколько стадий в зависимости от температуры и времени
старения:

1.

Образование зон Гинье

Престона.

2.

Выделение метастабильных и стабильных фаз.

3.

Коалесценция выделений.

Зонами Гинье

Престона

(ГП) в честь первооткрывателей назыв
аются микроскопические области, обогащенные атомами растворенного компонента.
Размеры зон ГП столь малы (1

10

нм), что их обнаруживают дифракционными методами или по изменению физических свойств материала. Решетка у
зон ГП такая же, как у окружающего их пе
ресыщенного твердого раствора. При различии размеров атомов растворителя и растворенного компонента
образование зон ГП приводит к возникновению упругих напряжений вокруг них. Зоны ГП равномерно распределены по объему зерен тв
ердого
раствора.

В дуралюминах

зоны ГП образуются при комнатной или близкой к ней (ниже 100

о
С) температуре. Старение при этих температурах называется
естественным
. При естественном старении происходит упрочнение сплава в связи с возникновением полей упругих напряжений около зон ГП.

При

более высоких температурах из пересыщенного твердого раствора выделяется метастабильная фаза, которая может отличаться от ста
бильной
составом или строением кристаллической решетки (или и тем, и другим). Решетка метастабильной фазы лучше сопрягается с реше
ткой пересыщенного
твердого раствора, чем решетка стабильной фазы. Благодаря этому вероятность образования кристаллов метастабильной фазы выше,
и они возникают
раньше кристаллов стабильной фазы.

Кристаллы метастабильных фаз выделяются при старении внутри з
ерен, главным образом на дислокациях, на границах зерен, на субграницах.

Выделение частиц метастабильных фаз упрочняет сплав из
-
за возникновения упругих напряжений, обеспечивающих сопряжение решеток
метастабильной фазы и твердого раствора.

По мере увеличен
ия количества и размеров выделений метастабильной фазы пересыщение твердого
раствора уменьшается, и параметры его кристаллической решетки изменяются. В результате сопряжение решеток стабильной и метаст
абильной фазы
больше поддерживаться не может: возникающ
ие упругие напряжения разрывают связь между решетками. Уничтожение сопряженности решеток
делает термодинамически невыгодным дальнейшее существование кристаллов метастабильной фазы. Они либо растворяются (при этом в

других
местах образуются выделения стабил
ьной фазы), либо превращаются в кристаллы стабильной фазы. Снятие напряжений, обеспечивавших сопряжение
решеток, уменьшает прочность сплава.

Старение алюминиевых сплавов при повышенных температурах (>

100

о
С) называют
искусственным
.

При искусственном старе
нии в сплаве
Al

4,5

%

Cu
, близком по составу к Д16, образуются: а)

сначала метастабильная θ″
-
фаза состава
Al
2
Cu

с
тетрагональной решеткой, которая полностью сопрягается с ГЦК решеткой α
-
фазы по плоскостям {100}; б) затем метастабильная θ′
-
фаза того же
сост
ава
Al
2
Cu

с тетрагональной решеткой, сопряжение которой с решеткой α
-
фазы полное по плоскости (001) и частичное по (010) и (100);
в)

стабильная θ
-
фаза (
Al
2
Cu
), тетрагональная решетка которой не сопрягается с решеткой α
-
фазы.

Средний размер образовавшихся в
ыделений стабильной фазы в ходе старения увеличивается. Укрупняются не все выделения: крупные выделения
становятся еще больше, а маленькие выделения растворяются. Этот процесс увеличения среднего размера частиц второй фазы путем
укрупнения
больших выделени
й за счет мелких называется
коалесценцией
.

Причина развития коалесценции


уменьшение суммарной энергии границ между выделениями и твердым раствором вследствие уменьшения площади
этих границ. Атомный механизм коалесценции


растворно
-
осадительный: мелкие ч
астицы растворяются в окружающем их твердом растворе, а
©освободившиесяª атомы, входившие в их состав, диффузионным путем по решетке твердого раствора переносятся к крупным частицам
.

Укрупнение частиц (при неизменном суммарном объеме выделений) сопровождае
тся увеличением среднего расстояния между частицами. Это
уменьшает прочность и твердость сплава.

Рисунок 7 схематично представляет результат наложения упрочняющих и разупрочняющих процессов в ходе естественного (при темпер
атуре
Т
1
) и искусственного (при Т
2

и Т
3



Т
2
) старения в виде зависимости твердости
Н

от продолжительностью старения τ.

Дуралюмины

обычно подвергают закалке с температуры 500

o
С и естественному старению. Максимальная прочность достигается через 4

5 суток.

Широкое применение дуралюмины нахо
дят в авиастроении, автомобилестроении, строительстве.

Высокопрочными стареющими сплавами

являются сплавы, которые кроме меди и магния содержат цинк. Сплавы В95, В96 имеют предел прочности
около 650 МПа. Основной потребитель


авиастроение (обшивка, стринг
еры, лонжероны).

Ковочные алюминиевые сплавы

АК, АК8 применяются для изготовления поковок. Поковки изготавливаются при температуре 380…450
o
С,
подвергаются закалке от температуры 500…560

o
С и старению при 150…165

o
С в течение 6…15 часов.

В состав алюминиевы
х сплавов дополнительно вводят никель, железо, титан, которые повышают температуру рекристаллизации и жаропрочность до
300

o
С.

Изготавливают поршни, лопатки и диски осевых компрессоров, турбореактивных двигателей.

5.3

Литейные алюминиевые сплавы
.

К литей
ным сплавам относятся сплавы систем
Al



Si
,
Al



Cu

и
Al



Mg
.

Лучшими литейными свойствами обладают сплавы
Al



Si

(
силумины
), имеющие близкий к эвтектическому состав (рисунок 8).


Высокая жидкотекучесть, малая усадка, отсутствие или низкая склонность
к образованию горячих трещин и хорошая герметичность силуминов объясняется
наличием большого количества эвтектики в структуре этих сплавов. В двойных
сплавах алюминия с кремнием, содержащие 10

13 % кремния (сплав марки АЛ2),
эвтектика состоит из твердого р
аствора и кристаллов практически чистого
кремния, в легированных силуминах (АЛ4 и др.), помимо двойной эвтектики,
имеются тройные и более сложные эвтектики.

Несмотря на увеличение растворимости кремния в алюминии от 0,05

%
при 200

о
С до 1,65

% при эвтектич
еской температуре, двойные силумины не
упрочняются термической обработкой. Это объясняется высокой скоростью
распада твердого раствора, который частично происходит уже при закалке, а
также большой склонностью к коалесценции стабильных выделений кремния.
Ед
инственным способом повышения механических свойств является измельчение
структуры путем модифицирования.

Силумин обычно модифицируют натрием, который в виде хлористых и
фтористых солей вводят в расплав в количестве 2

3

% от массы сплава. Помимо
модифицирую
щего действия натрий сдвигает эвтектическую точку в системе
Al



Si

в сторону больших содержаний кремния. Благодаря этому эвтектический по
составу сплав АЛ2 становится доэвтектическим. В его структуре помимо
мелкокристаллической эвтектики появляются первич
ные кристаллы мягкой
пластичной фазы


твердого раствора. Все это приводит к одновременному
увеличению пластичности и прочности.

Рисунок

8
-

Диаграмма состояния
Al

Si
.

Присадка магния и меди позволяют получить термически упрочняемые силумины, содейству
я эффекту упрочнения литейных сплавов при
старении. Титан и цирконий измельчают зерно. Марганец повышает антикоррозионные свойства. Никель и железо повышают жаропрочно
сть.

Силумины широко применяют для изготовления литых деталей приборов и других средне
-

и

малонагруженных деталей, в том числе
тонкостенных отливок сложной формы.


§ 6 Сплавы титана.
Титановые сплавы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими:



сочетание высокой прочности с хорошей пластичностью;



малая плотность, обеспечивающая высокую удельн
ую прочность;



хорошая жаропрочность, до 600

700

o
С;



высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах.

В результате легирования титановых сплавов можно получить нужный комплекс свойств.
Легирующие элементы, входящие в состав промышленных титановых сплаво
в, образуют с
титаном твердые растворы замещения и изменяют температуру полиморфного превращения.
Влияние легирующих элементов на полиморфизм титана показано на рисунке 9.

Элементы, повышающие температуру превращения, способствуют стабилизации
α
-
твердого
раствора и называются α
-
стабилизаторами, это


алюминий, кислород, азот, углерод.

Элементы, понижающие температуру превращения, способствуют стабили
зации β
-
твердого
раствора и называются β
-
стабилизаторами, это


молибден, ванадий, хром, железо.

Кроме α
-

и β
-
стабилизаторов, различают нейтральные упрочнители: олово, цирконий,
гафний.

В соответствии с влиянием легирующих элементов титановые сплавы при но
рмальной
температуре могут иметь структуру α или α

+

β.

Сплавы на основе титана можно подвергать всем видам термической обработки, химико
-
термической и термомеханической обработке. Упрочнение титановых сплавов достигается
легированием, наклепом, термическо
й обработкой.

Часто титановые сплавы легируют алюминием, он увеличивает прочность и жаропрочность,
уменьшает вредное влияние водорода, увеличивает термическую стабильность. Для
повышения износостойкости титановых сплавов их подвергают цементации или
азотир
ованию.

Основным недостатком титановых сплавов является плохая обрабатываемость режущим
инструментом.

По способу производства деталей различаются деформируемые (ВТ9, ВТ18) и литейные
(ВТ21Л, ВТ31Л) сплавы.



Рисунок 9. Влияние легирующих элементов на
полиморфизм титана



Приложенные файлы

  • pdf 1154251
    Размер файла: 770 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий