Методические указания к выполнению лабораторной работы №9 для студентов очной и заочной форм обучения всех специальностей

Вид материала

Методические указания

Содержание Цели и задачи работы Задачи работы 2. Краткие сведения из теории Маркировка цветных сплавов. 2.1. Сплавы на алюминиевой основе 2.2. Сплавы на основе титана 2.3. Сплавы на основе меди 3. Порядок выполнения и оформления работы 4. Вопросы для самопроверки Приложение 1. Химический состав и механические свойства цветных металлов Темплан 2008 г., п. 177

Подобный материал:

• Методические указания к выполнению лабораторной работы №12 для студентов очной и заочной, 222.24kb.
• Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов эфф, автф всех специальностей, 1176.51kb.
• Методические указания к выполнению лабораторной работы №6 для студентов всех форм обучения, 197.64kb.
• Методические указания к выполнению лабораторной работы №10 для студентов очной формы, 240.19kb.
• Методические указания к выполнению лабораторной работы №21 по физике для студентов, 119.29kb.
• Методические указания по выполнению лабораторной работы №6 для студентов 1-го курса, 124.2kb.
• Методические указания по написанию курсовой работы для студентов очной, заочной и очно-заочной, 318.34kb.
• Методические указания по выполнению рефератов и контрольных работ по курсу «экология», 187.76kb.
• Методические указания к выполнению лабораторной работы №23 по физике для студентов, 142.34kb.
• Методические указания по выполнению курсовой работы для студентов очной и заочной форм, 364.03kb.

Утверждаю

Ректор университета

________________А.В.Лагерев


«____»___________2008 г.

Материаловедение

Изучение микроструктур

и свойств цветных сплавов

Методические указания

к выполнению лабораторной работы №9

для студентов очной и заочной форм

обучения всех специальностей

Брянск 2008

УДК 669

Материаловедение. Изучение микроструктур и свойств цветных сплавов: методические указания к выполнению лабораторной работы №9 для студентов очной и заочной форм обучения всех специальностей. – Брянск: БГТУ, 2008. - 18 с.

Разработали: В.П. Мельников, канд.техн.наук, доц.

С.В. Давыдов, докт. техн. наук, проф.


Рекомендовано кафедрой "Технология металлов и металлове­дение" БГТУ (протокол № 3 от 04. 04. 2008)


Предисловие


Необходимой предпосылкой выполнения данной лабораторной работы является важная практическая значимость цветных металлических материалов в современной технике. На лабораторных занятиях уделяется внимание в основном изучению типовых структур и свойств некоторых достаточно широко применяемых промышленных цветных металлических материалов, в которых в твёрдом состоянии происходят фазовые превращения и в которых они отсутствуют.

Понимание особенностей строения и свойств таких материалов в зависимости от химического состава, обработки давлением и термической обработки требует наличия у студента к началу лабораторного занятия знания теоретической части дисциплины «материаловедение» (или раздела «материаловедение» дисциплины «материаловедение и технология конструкционных материалов»).

Методические указания служат руководством для студента, устанавливающим цели и задачи, определяют содержание и последовательность выполнения работы, форму представления результатов, вопросы для самоподготовки и защиты (сдачи) работы.

Продолжительность выполнения работы – 2 часа.

1. ^ Цели и задачи работы
   

Цель работы – изучить типичные микроструктуры и свойства ряда промышленных сплавов на основе Al, Ti, Cu, Sn и Pb (диаграммы состояния некоторых цветных сплавов см. прил. 2-5).

^ Задачи работы - научиться по микроструктуре самостоятельно проводить микроанализ цветных сплавов, устанавливать связь их свойств со строением материалов, уяснить области применения цветных сплавов.


^ 2. Краткие сведения из теории


Все металлы и сплавы, за исключением железа и его сплавов¹, называют цветными. Цветные металлы подразделяют на легкие (с плотностью менее 3 г/см³), средней плотности (4,5 г/см³) и тяжелые (свыше 6,1 г/см³). К первым относят - Mg, Al; ко вторым – Ti, к третьим² – Cu, Ni, Co и др. (см. табл. 1).

Таблица 1

Плотность цветных металлов

Элемент	Mg	Be	Al	Ti	V	Zn	Nb	Ni	Co	Cu	Mo	Ta	W
Плотность  при 20С, г/см3­­­	1.7	1.8	2.7	4.505	6.11	7.1	8.57	8.9	8.9	8.94	10.2	16.6	19.3

Цветным металлам и сплавам на их основе присущи особые физические, химические, механические и технологические свойства (высокая электро- и теплопроводность, коррозионная стойкость³, удельная прочность и др.) благодаря чему они в ряде областей техники оказываются незаменимыми. Преимуществом некоторых из них является низкий коэффициент трения⁴, сочетающийся с хорошей коррозионной стойкостью в ряде агрессивных сред и хорошей электропроводимостью. Однако цветные металлы и сплавы дороже черных металлов и более дефицитны. Поэтому их применение оправдывается лишь перечисленными свойствами и при возможности их заменяют сталями, чугунами или неметаллическими материалами.

Среди технических цветных металлических материалов наиболее широкое применение в технике получили сплавы на алюминиевой, титановой и медной основе.

В приложениях (в конце методических указаний) приведены диаграммы состояния некоторых двухкомпонентных цветных сплавов для анализа превращений, протекающих в сплавах того или иного химического состава при очень малых скоростях охлаждения из жидкого состояния, и прогнозирования фазового состава и структуры сплава конкретного химического состава.

^ Маркировка цветных сплавов. В технической литературе и ГОСТах принята следующая маркировка цветных сплавов.

Буквой А (в некоторых случаях В и Д) вначале марки обозначают сплавы на базе алюминия; буквами Л – латунь, Бр – бронзы (сплавы на основе меди); буквой Б – баббиты.

Цифрами и буквами после этих букв обозначают марки сплавов например:

АЛ2 – литейный алюминиевый сплав системы Аl – Si (силумин);

АЛ12 – литейный алюминиевый сплав системы Al – Cu;

Л70 – латунь, сплав меди (70%) с цинком (Zn – остальные);

БрОЦС 5-5-5 – оловянная бронза, сплав Cu с оловом, свинцом и цинком (5% Sn, 5%Pb и 5% Zn).

Баббит Б83 – сплав олова с сурьмой и медью.

Основные дополнительные легирующие элементы, содержащиеся в марках, обозначают буквой и цифрой:

А – алюминий, Б – беррилий, Ж – железо, К – кадмий, Мг – магний, Mц – марганец, Н – никель, О – олово, С – свинец, Х – хром, Ф – фосфор, Ц – цинк и т.д. Цифры, следующие за буквами, указывают на количество легирующего элемента.


^ 2.1. Сплавы на алюминиевой основе


Алюминий по объему производства пока стоит на втором месте после железа. В чистом виде в машиностроении как конструкционный материал из-за низкой прочности (80…100 МПа) и твердости (HB 250…300 МПа) не применяется. Для изготовления деталей машин и элементов конструкций широкое применение получили простые (двойные) и сложные (многокомпонентные) сплавы на его основе. Сплавы алюминия, обладая хорошей технологичностью во всех стадиях передела, малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью, при достаточной прочности, пластичности и вязкости, хорошей свариваемости нашли широкое применение в авиации, судостроении, автомобилестроении, строительстве и других отраслях техники. Изделия из таких легких сплавов позволяют снизить массу, увеличить грузоподъемность, например, летательных аппаратов без снижения скорости и дальности полета, повысить скорость движения автомобилей, морских судов, железнодорожного транспорта. Алюминиевые сплавы находят большое применение в сварных конструкциях криогенной техники (например, сплавы ВАД1, АК8, В92Ц, АЦМУ и др.).

По способу изготовления изделий сплавы подразделяют на литейные и деформируемые. Кроме того, они делятся на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.

Самым распространенными деформируемыми сплавами в технике являются дуралюмины, упрочняемые термической обработкой. Дуралюминами называют сплавы Al-Cu-Mg, в которые дополнительно для повышения коррозионной стойкости и улучшения механических свойств вводят марганец.

Основу литейных сплавов составляют сплавы Al-Si, Al-Cu, Al-Mg. Сплавы Al с Si, называемые силуминами, применяют только после модифицирования, которое измельчает их структуру, благодаря чему они приобретают достаточную вязкость при относительно высокой прочности. Для повышения прочностных характеристик двойные силимуны легируют Mg, Cu, Mn и др. элементами и подвергают термической обработке (например, сплавы АЛ4, АЛ9, АЛ15В).


^ 2.2. Сплавы на основе титана


В современной технике все большее применение получают сплавы на основе титана со средней плотностью (4,505 г/см³).Титановые сплавы обладают самыми высокими значениями удельной прочности (σ_B/γ) в интервале температур 350…600C, уступая алюминиевым сплавам при температурах ниже 300C и сплавам на основе железа, никеля при температурах выше 600C. Поэтому преимущественное применение они получили в авиации, ракетостроении и некоторых других отраслях техники, в которых удельная прочность имеет особо важное значение.

Достоинством титановых сплавов являются хорошие технологические свойства, отличная коррозионная стойкость⁵, высокие у некоторых марок прочностные свойства при отсутствии хладноломкости. По коррозионной стойкости (например, в морской воде, во влажном хлоре, в горячей азотной кислоте) они превосходят нержавеющие стали, медные и никелевые сплавы.


^ 2.3. Сплавы на основе меди


Медь по коррозионной стойкости близка к серебру и золоту, которые на воздухе не окисляются. Медь слабо окисляется на воздухе, поэтому, её называют полублагородным металлом. Медь обладает высокой тепло- и электропроводимостью, пластичностью, коррозионной стойкостью (в атмосфере, в пресной и морской воде и в других агрессивных средах) и хорошей технологичностью (легко обрабатывается давлением, хорошо паяется). Но медь плохо обрабатывается резанием, имеет невысокие литейные свойства (большая усадка, низкая жидкотекучесть).

Сохраняя многие положительные качества меди (высокую тепло- и электропроводность, коррозионную стойкость и др.), медные сплавы обладают к тому же хорошими механическими, технологическими и антифрикционными свойствами. Сплавы подразделяют на деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные, на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.

Основное преимущество медных сплавов – низкий коэффициент трения, сочетающийся для многих сплавов с хорошей коррозионной стойкостью в ряде агрессивных сред, высокой пластичностью и хорошей тепло- и электропроводимостью.

По химическому составу медные сплавы разделяют на две основные группы: латуни и бронзы.

Латунями называют сплавы меди с цинком, которые подразделяют на простые (двойные) и сложные (специальные). Простые содержат только медь с цинком, сложные, кроме этих элементов, содержат еще Al, Ni, Fe, Mn, Si, Sn, Pb, вводимые для улучшения механических, химических, антифрикционных и других свойств. Микроструктура двойных(простых) латуней может быть однофазной, состоящей из -твердого раствора цинка в меди (при содержании в сплаве цинка до 31…32), и двухфазной, состоящей из  и  фаз (39… 45 Zn). Прочность и пластичность латуней возрастает с повышением концентрации цинка. Максимальной пластичностью обладает латунь с примерно 30% цинка. Появление в структуре '- фазы (при содержании более 39% Zn) способствует резкому падению пластичности и повышению прочности. Наибольшую прочность (σ_B 420МПа) имеет -латунь (45% Zn). Вследствие повышенной хрупкости '-фазы  латуни не находят практического применения.

Специальные (сложные) латуни кроме цинка содержат еще (не более 7%) другие элементы, сообщающие латуням повышенную прочность и твердость, улучшающим литейные свойства, повышающие коррозионную стойкость или антифрикционные свойства. Микроструктура специальных латуней чаще двухфазная (α + '). Специальные латуни могут использоваться как заменители оловянных бронз для отливки деталей паровой и водяной арматуры, частей насосов и т. п., особенно в случаях, когда к конструкции деталей предъявляются повышенные требования по прочности⁶.

Бронзами называют сплавы меди со всеми элементами, кроме цинка. Название бронзам дают по основным элементам (оловянные, алюминиевые, кремнистые и др.). В бронзах в качестве легирующего элемента может присутствовать в количестве 5…10% Zn. В таких количествах цинк полностью находится в твердом растворе и потому не оказывает существенного влияния на структуру бронз.

Бронзы обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошей обрабатываемостью резанием. Многие из них имеют высокие антифрикционные качества. Большинство обладает хорошими литейными свойствами. Некоторые бронзы, например алюминиевые или бериллиевые, по механическим свойствам не уступают качественным сталям. Например, бериллиевая бронза с 2...2,5% бериллия после термообработки имеет прочность порядка 1500 МПа. Бронзы разделяют на деформируемые и литейные. Микроструктура бронз может быть однофазной и многофазной (из α-твердого раствора и эвтектоида α+γ). Прочность выше у двухфазных бронз, а пластичность – у однофазных.

Наибольшим распространением пользуются сложные оловянные и алюминиевые бронзы. Однако из-за высокой стоимости олова стараются использовать бронзы, в которых часть олова заменена цинком или свинцом.

2.4. Баббиты


В отличие от антифрикционных материалов на медной и алюминиевой основе, баббиты представляют мягкие (НВ 300) антифрикционные сплавы на основе олова или свинца. По антифрикционным свойствам баббиты превосходят все остальные подшипниковые сплавы, но значительно уступают им по сопротивлению усталости.

Структура баббитов также неоднородна и состоит из мягкой пластичной основы и твердых включений, вкрапленных в эту основу. Мягкая основа обеспечивает «прирабатываемость» вкладыша (подшипника) к валу (оси), а твердые включения необходимы для уменьшения трения.

^ 3. Порядок выполнения и оформления работы

3.1. Ознакомиться с теоретической частью настоящих методических указаний и диаграммами состояния (см. приложения), кратко изложить в отчете основное содержание.

3.2. Получить коллекцию шлифов цветных сплавов (см. прил.1).

3.3. Просмотреть под микроскопом при 200…500 кратном увеличении крат, изучить, провести микроанализ и зарисовать в отчете наблюдавшиеся микроструктуры из полученной коллекции шлифов сплавов на алюминиевой, титановой, медной, оловянной и свинцовистой основах. Микроструктуры зарисовать в квадратных рамочках размеров 4×4см. Расшифровать марку.

3.4. На каждом рисунке стрелками указать присутствующие в микроструктуре сплава структурные составляющие (фазы), а в подрисуночной подписи – наименование и марку сплава, увеличение.

3.5. Описать наименование, форму и характер распределения структурных составляющих (фаз), указать примерное количественное соотношение между ними.

3.6. Результаты исследования в отчете представить в таблице следующей формы (пример заполнения).

Наименование и марка сплава	Химический состав, %	Состояние сплава (литой, деформированный) термообработка.	Механические свойства				Примерная область применения
			НВ	σв	σ0,2	δ
			МПа			%
Дюралюминий Д16	3,8 – 4,8 Cu 0,4 – 0,8 Mg 0,4 – 0,8 Mn	Деформированный, закалка, естественное старение	1050	440	330	18	Обшивка, шпангоуты, лонжероны самолетов и др.

^ 4. Вопросы для самопроверки

1. На какие группы делятся цветные сплавы в зависимости от технологии их производства и обработки?
   
2. Назовите основное преимущество алюминиевых и титановых сплавов в сравнении с черными металлами.
   
3. В каких случаях цветные сплавы являются незаменимыми?
   
4. Какой фактор ограничивает более широкое применение цветных сплавов?
   
5. Какие характерные физико-химические и механические свойства присущи сплавам на основе Al, Ti, Cu, Sn и Pb?
   
6. Расшифруйте марки перечисленных сплавов. Дайте название. Что означают в марке сплава буквы и цифры?
   
7. Какие виды алюминиевых сплавов вы знаете?
   
8. Чем отличается латунь от бронзы? Как маркируют латуни и бронзы?
   
9. Какие требования предъявляют к антифрикционным сплавам?
   
10. Почему бронзу часто применяют как антифрикционный материал?
    

Список рекомендуемой литературы

1. Колачев, Б.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов: учеб. для вузов / Б.А. Колачев, В.И. Елагин , В.А. Ливанов. – 3-е изд. - М.: МИСИС, 1999. – 416с.
   
2. Лахтин, Ю.М. Материаловедение: учеб. для вузов / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева – 3-е изд. – М.: Машиностроение, 1990. – 528с.
   
3. Лахтин, Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов: учеб. для вузов / Ю.М. Лахтин. – 4-е изд. – М.: Металлургия, 1993. – 448с.
   
4. Гуляев, А.П. Металловедение: учеб. для вузов / А.П. Гуляев. – 6-е, изд. – М.: Металлургия, 1986. – 544 с.
   

ПРИЛОЖЕНИЯ

Усл.№ шлифов	ГОСТ №	Марка сплава	Содержание основных легирующих элементов, %										Механические свойства
													МПа			%
			Si	Pb	Zn	Fe	P	Ni	Sb	Sn	Cu	Al	σB	σ0,2	HB	δ
		АЛ22	10-13	-	-	-	-	-	-	-	-	ост.	130-180 (220)1	80- 90	500-550	до 7
4041, 4042	2685-75, 90087-73	АЛ122	3,0	-	1,0	1,0-1,2(3)	-	-	-	-	9- 11	ост.	170-200	~120	700-1000	до 5
340	613-79	БрОЦС 5-5-5	-	4- 6	4- 6	-	-	-	-	4- 6	ост.	-	170-180	-	600	4- 8
135,331 137-1	613-79	БрОЦС 4-4-17	-	14-20	2- 6	-	-	-	-	3,5-5,5	ост.	-	150	-	-	12
331	613-79	БрО4Ц4С17	-	14-20	2- 6	-	-	-	-	3,5-5,5	ост.	-
349	613-79	Бр010Ф12	-	-	-	-	0,4-1,1	-	-	9- 11	ост.	-	200-300	140	800-1000	3
347		Бр010Ц2	-	-	1- 3	-	-	-	-	9- 11	ост.	-	200-250	180	-	5 (10)
345	493-79	БрА9ЖЗЛ	-	-	1,0	2- 4	-	1,0	-	-	ост.	8-10,5	392	-	980	12
332	ДТУ ОАО БМЗ	БрМ6	-	8- 12	до 1,0	-	-	до 1,5	-	9- 11	ост.	-	180-300	-	650-1050	9- 16
348	ДТУ ОАО БМЗ	БрМ7
06	1320-75(74)	Баббит3 Б83	-	-	-	-	-	-	10-12	ост.	5,5-6,5	-	90	67	300	6

^ Приложение 1. Химический состав и механические свойства цветных металлов


¹отливка в кокиль; ² 2-х фазный сплав; ³3-х фазный сплав


ПРИЛОЖЕНИЕ 2


Диаграмма состояния сплавов Al-Cu

Диаграмма фазового состояния системы Al-Cu, представленная на рис.1, показывает, что медь при температуре 548º растворяется в количестве до 5,7% и до 0,2% при комнатной температуре.

Любой сплав, содержащий от 0,2 до 5,7% Cu, имеет структуру из кристаллов α твердого раствора с избыточной фазой CuAl₂. В сплавах с бóльшим содержанием меди (в доэвтектических сплавах) структура состоит из α -фазы + эвтектика (α+CuAl₂).

Рис. 1. Диаграмма фазового состоя-ния системы сплавов Al-Cu

ПРИЛОЖЕНИЕ 3


Диаграмма состояния сплавов Al-Si

В сплавах системы Al-Si (рис.2) кремний не образует химических соединений с алюминием. Растворимость Al в кремнии ничтожно мала. Поэтому можно считать, что в структуре сплавов присутствуют включения чистого кремния.

Сплавы Al с Si до 14% называют силуминами.

Рис. 2. Часть диаграммы фазового состояния системы сплавов Al-Si

Обычный силумин содержит 12-13% Si и по структуре является заэвтектическим сплавом. При обычных условиях литья структура содержит грубую эвтектику (Al-Si) и включения первичного кремния. Если перед самой отливкой ввести в расплав незначительное количество Na или его солей (модификатора), то структура улучшается и становится мелкозернистой, что сопровождается резким повышением механических свойств.


ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Латунь


Диаграмма состояния системы Cu-Zn показана на рис.3. Латуни с содержанием до 39% Zn являются однофазными сплавами и имеют структуру из α твердого раствора.

Сплавы, содержащие 39-45% Zn, имеют двухфазную структуру из α+β^/ фаз.

Рис. 3. Диаграмма состояния системы Cu-Zn

Из-за ликвации реальные сплавы могут быть двухфазными уже при содержании цинка порядка 31 – 32%.





ПРИЛОЖЕНИЕ 5

Бронза


Бронзами называют сплавы меди с оловом и другими металлами (за исключением цинка).

Рис. 4. Часть диаграммы сис-темы сплавов Cu-Sn

На рис.4 показана левая часть диаграммы состояния системы Cu-Sn. Сплошная линия Abdq харак-теризует состояние сплавов, полу-ченное при медленном охлаждении или после чрезвычайно длительного отжига (тысячи часов). Следовательно, в условиях равновесия структура сплавов с содержанием до 14% Sn должна быть однородной и со стоять из кристаллов α твердого раствора (раствора Sn в Cu).

Такие условия при обычной (производственной) отливке в сплавах не достигаются и объясняются сильной ликвацией и малой скоростью диффузионных процессов в медно-оловянистых твердых растворах. Поэтому в практике для определения структур литых бронз следует пользоваться диаграммой, представленной рис.4 пунктирной линией Ab^/n¹.

Рассмотрим процесс формирования структуры в бронзе с 10% Sn.

В условиях равновесия (сплошные линии на диаграмме) после затвердевания структура сплава должна состоять только из кристаллов α твердого раствора. Ниже температур солидуса (Ab) никаких превращений нет и сплав останется до конца охлаждения однофазным.

В производственных (неравновесных) условиях затвердевание будет заканчиваться при температурах неравновесного солидуса (пунктирная линия Аb'b), т.е. вначале до 790⁰ будут также выделяться кристаллы α – фазы. Но при 790⁰ (пунктирная линия b'b) по перитектической реакции выделившиеся вначале кристаллы α – фазы, взаимодействуя с остатком незакристаллизовавшейся жидкой фазы (L), образуют кристаллы β фазы (α+ж→ β) и при температуре ниже 790⁰ структура будет уже двухфазной из α+β фаз. При дальнейшем охлаждении β-фаза при 587⁰ перейдет в β' твердый раствор, который при 520⁰ распадется с образованием эвтектоида: β'→ α+Cu₃₁Sn₈. Таким образом, структура бронзы с 10% Sn после полного охлаждения в неравновесных условиях будет состоять из α – фазы + эвтектоида (α+Cu₃₁Sn₈)². Эвтектоид придает бронзе высокое сопротивление истиранию и потому оловянистые бронзы применяют как антифрикционный материал.

Практика показывает, что промышленные бронзы, содержащие до 5…6% Sn, являются однофазными. При содержании Sn>5 - 6% из-за сильной ликвации и малой скорости диффузионных процессов структура оловянистых бронз становится двухфазной³.

Для удешевления промышленных бронз олово частично заменяют цинком. В количестве до 5…10% цинк в оловянистых бронзах не образует новой структурной составляющей и полностью переходит в твердый раствор α. Для лучше обрабатываемости в бронзы вводят свинец в количестве до 3…5%, который в жидкой фазе не растворяется, а в структуре присутствует в виде мелкорассеянных самостоятельных включений.

Материаловедение. Изучение микроструктур и свойств цветных сплавов: методические указания к выполнению лабораторной работы № 9 для студентов очной и заочной форм обучения всех специальностей

Валентин Павлович Мельников

Сергей Васильевич Давыдов


Научный редактор С.В. Давыдов

Редактор издательства Л.И. Афонина

Компьютерный набор А.И. Жуков, Д.М. Саулин

Иллюстрации В.П. Мельников


^

Темплан 2008 г., п. 177

Подписано в печать . Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Офсетная печать. Усл. печ.л. 1,04. Уч.-изд.л.1,04. Тираж 50 экз. Заказ . Бесплатно.


Брянский государственный технический университет.

241035, Брянск, бульвар 50-летия Октября, 7, БГТУ. 58-82-49.

Лаборатория оперативной полиграфии БГТУ, ул. Харьковская, 9