11. Сплавы на медной основе: латуни, бронзы, мельхиоры, нейзильберы, куниали. Состав, марки, структура, способы упрочнения.

Медные сплавы, сплавы на основе меди. Со многими элементами медь образует широкие области твёрдых растворов замещения, в которых атомы добавки занимают места атомов меди в гранецентрированной кубической решётке. Медь в твёрдом состоянии растворяет до 39 % Zn, 15,8 % Sn, 9,4 % Al, a Ni — неограниченно. При образовании твёрдого раствора на основе меди растут её прочность и электросопротивление, снижается температурный коэффициент электросопротивления, может значительно повыситься коррозионная стойкость, а пластичность сохраняется на достаточно высоком уровне. При добавлении легирующего элемента свыше предела растворимости образуются соединения, в частности электронные, т. е. характеризующиеся определённой электронной концентрацией (отношением суммарного числа валентных электронов к числу атомов, которое может быть равно 3/2, 21/13 или 7/4). Этим соединениям условно приписывают формулы CuZn, Cu5Sn, Cu31Sn8, Cu9Al4, CuBe и другие. В многокомпонентных М. с. часто присутствуют сложные металлические соединения неустановленного состава, которые значительно твёрже, чем раствор на основе меди, но весьма хрупки (обычно в двухфазных и многофазных М. с. доля их в структуре намного меньше, чем твёрдого раствора на основе меди).

М. с. получают сплавлением меди с легирующими элементами или с промежуточными сплавами — лигатурами, содержащими легирующие элементы. Для раскисления (восстановления окислов) широко применяют введение в расплав малых добавок фосфора (десятые доли %). М. с. подразделяют на деформируемые и литейные. Из деформируемых М. с. отливают (в изложницы или непрерывным методом) круглые и плоские слитки, которые подвергают горячей и холодной обработке давлением: прокатке, прессованию через матрицу или волочению для производства листов, лент, прутков, профилей, труб и проволоки. М. с. хорошо обрабатываются давлением, и деформированные полуфабрикаты составляют основную долю всего объёма их производства. Литейные М. с. обладают хорошими литейными свойствами, из них отливкой в земляные и металлические формы получают фасонные детали, а также декоративно-прикладные изделия и скульптуру.

Механические свойства М. с. изменяются в широких пределах при холодной обработке давлением и при отжиге. Холодной деформацией можно увеличить твёрдость и предел прочности М. с. в 1,5—3 раза при одновременном снижении пластичности, а последующий рекристаллизационный отжиг позволяет частично или полностью (в зависимости от температуры и его продолжительности) восстановить исходные (до деформации) свойства. Смягчающий отжиг М. с. после холодной обработки давлением проводят при 600—700 °С. Большинство М. с. не подвергают упрочняющей термической обработке (закалке и старению), так как эта обработка или в принципе невозможна, если сплав при всех температурах однофазен, или величина упрочнения очень мала. Для создания термически упрочняемых М. с. используют такие легирующие элементы, которые образуют с медью или между собой интерметаллические соединения (например, CuBe, NiBe, Ni3Al), растворимость которых в твёрдом растворе на базе меди с понижением температуры уменьшается. При закалке таких сплавов образуется пересыщенный твёрдый раствор, из которого при искусственном старении выделяются дисперсные интерметаллические соединения, упрочняющие М. с.

М. с. подразделяют на латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы. В латунях главной добавкой является цинк, в бронзах — любой элемент, кроме цинка и никеля. Промышленные марки выпускаемых в СССР М. с. начинаются с первых букв их названий — Л (латуни), Бр. (бронзы) и М (медно-никелевые сплавы). Легирующие элементы обозначают следующими буквами: А — алюминий, Н — никель, О — олово, Ц — цинк, С — свинец, Ж — железо, Мц — марганец, К — кремний, Ф — фосфор, Т — титан. В марке простой (двойной) латуни цифры указывают ср. содержание меди. Например, латунь Л90 содержит 90 % Cu и 10 % Zn. В марке многокомпонентной латуни первые цифры указывают среднее содержание меди, а последующие — легирующих элементов. Например, латунь ЛАН59-3-2 содержит 59 % Cu, 3 % Al и 2 % Ni (остальное цинк). В марках бронз и медно-никелевых сплавов буквы и соответствующие им цифры указывают содержание легирующих элементов. Например, бронза Бр. АЖМц10-3-1,5 содержит 10 % Al, 3 % Fe и 1,5 % Mn. Буква Л в конце марки М. с. обозначает, что он предназначен для фасонного литья (например, ЛК80-3Л). Все М. с. отличаются хорошей стойкостью против атмосферной коррозии. Кислород при комнатной температуре не действует на М. с.; окись углерода с ними не реагирует. Незагрязнённый пар, сухой или влажный действует на бронзы очень слабо. Сероводород уже при незначительной влажности и особенно при повышенных температурах сильно реагирует с М. с. Азотная и соляная кислоты действуют на латуни и оловянные бронзы очень сильно, серная — значительно слабее.

Мельхиор — является сплавом меди с никелем, иногда с добавками железа и марганца. Мельхиор отличается высокой коррозионной стойкостью, хорошо обрабатывается под давлением в холодном и горячем состоянии. В зависимости от состава, мельхиор может быть электронегативным относительно морской воды, из-за чего применяется в производстве высококачественных деталей морских лодок. Из мельхиора изготовляют также ювелирные изделия, посуду, термогенераторы, точные резисторы и так далее. Большинство современных монет серебристого цвета состоят из мельхиора (обычно 75 % меди и 25 % никеля с незначительными добавками марганца). Помимо мельхиора, существуют и другие сплавы меди с никелем: монель, содержание никеля в котором достигает 67 %, а также нейзильбер, в котором дополнительно присутствует цинк.

Куниаль (по первым буквам составляющих элементов) — сплав Cu (основа) с Ni (4-20 %) и Al (1-4 %).

Различаются две марки: куниаль А (МНА 13-3), содержащий 12—15 % Ni и 2,3—3,0 % Al, и куниаль Б (МНА 6-1,5) содержащий 5,5—6,5 % Ni и 1,2—2,8 % Al.

Куниаль А используется для изготовления деталей специального назначения, которые должны обладать одновременно прочностью и высокой коррозионной стойкостью. Куниаль Б применяется для изготовления пружин и других упругих элементов ответственного назначения, а также в криогенной технике благодаря его высокой морозостойкости.

 

12. Сплавы на основе алюминия, Состав, структура, марки, способы упрочнения.

Al - самопассивирующийся металл благодаря образованию на его поверхности в окислитель­ной атмосфере плотной защитной пленки Al2O3. Поэтому обладает высокой коррозионной стойкостью на воздухе (и при нагреве - жаростоек), в пресной воде.

Свойства чистого алюминия (99,995% Al) : σв =  50МПа; σт= 15МПа;  δ= 45% ; НВ= 15

Первичный Al особой чистоты  А999 (есть и 6 девяток, т.е. примесей не более  0,000001%), высокой чистоты –А99,А97, А95, технической чистоты – А85, А8………..А0.

Марки деформированного листового алюминия: АД00, АД), АД, АД1.

Пластичность Al позволяет деформировать в холодную на 99% и получать микронную фольгу!

Вредные примеси  в чистом AlFe и Si.

Si вызывает хрупкость а из-за широкого интервала кристаллизации – горячеломкость, т.е. появление трещин при твердо-жидком состоянии вследствие неравномерной усадки.

Кристаллизация технически чистого алюминия, как и его сплавов, всегда неравновесная.

Рассмотрим на примере сплавов Al-Si  в предположении, что диффузия в твердой фазе крайне мала.

Возьмем сплав, равновесная кристаллизация которого начинается при температуре t1 с выпадения кристаллов α состава а1. При каждой температуре, например t2 , в равновесии с жидкостью (состава ж2 ) находятся кристаллы α (состава а2). Но состав ранее выпавших кристаллов (внутренних частей дендритов) не изменяется и средний состав образовавшейся к этой температуре кристаллической фазы отличается от а2 , в них содержится больше алюми­ния. Поэтому доля жидкости состава ж2  больше, чем а2m2ж2 , и определяется отношением а2с12ж2. При температуре t3 кристаллизация не заканчивается, остается жидкость состава ж3 . При дальнейшем охлаждении жидкость сохраняется до температуры tЕ , при которой перехо­дит в эвтектику. Таким образом, первичные кристаллы кремния в составе эвтектики в литом алюминии будут присутствовать при любом сколь угодно малом содержании кремния в сплаве.

Промышленный т.ч. алюминий по существу является тройным сплавом Al-Fe-Si. При одно­временном присутствии Fe и Si образуются два соединения α (Al-Fe-Si) и β (Al-Fe-Si) более богатая кремнием, в котором соотношение Fe /Si равно 1,5, поэтому введение железа в доста­точном количестве исключает выделение свободного кремния и устраняет появление горячих трещин.

Структура литого алюминия и его сплавов всегда имеет дендритную ликвацию. Размер первичных кристаллов зависит от степени перегрева, наличия примесей и скорости охлажде­ния. Но еще большее важное значение имеет внутризеренная структура, определяемая разветв­ленностью ветвей кристалла, что в свою очередь определяет размер дендритной ячейки и размер интерметаллидных включений. Внутренняя структура тем тоньше, чем больше скорость охлаждения.

Прессэффект  Al – сплавов

Прессэффектом называется повышение прочности в прессованных полуфабрикатах после последующей упрочняющей т.о. по сравнению с отожженными полуфабрикатами после такой же упрочняющей термообработки – эффект упрочнения в некоторых сплавах до 40%.

Основная причина – формирование при горячем прессовании не рекристаллизованной, а полигонизованной структуры. Это возможно, если температура рекристаллизации выше температуры деформации и закалки. Температура рекристаллизации повышается при добавле­нии переходных металлов, особенно Zn, но также Mn,Cr, Ti после горячей деформации.

Механизм влияния: растворы этих металлов из-за малой растворимости в Al оказываются пересыщенными при т-ре горячего деформирования и при температуре закалки, идет распад с выделением дисперсных частиц Al6Mn, Al7Cr, Al3Zr на дислокациях, что уменьшает их подвижность и задерживает рекристаллизацию. Почему именно прессование: напряженное со­стояние близко к всестороннему сжатию и в этом случае наименьшая упругая энергия исамая высокая Трек.

Фазы: Si, Mg2Si, Al2Cu(θ), Al3Mg2(β), S(Al2MgCu), T(Al6CuMg4), W (Al-Cu-Mg-Si). Фазы Si, β, T не дают эффекта упрочнения.

Сплавы на основе системы Al-Cu-Mg (c добавками  марганца) – дуралюмины

На сплаве этого типа в 1904г Вильм  обнаружил эффект естественного старения и в 1908г предложил промышленный сплав, который и назвали дуралюмином. Это - основные  сплавы, применяемые в авиации, упрочняемые ТО.

Упрочняющие фазы – θ и S. Соотношение меди и магния, как и их количество в сплавах, определяет длительность естественного старения, его эффективность. Так сплавы Д18 и ВАД65  с длительным временем старения и инкубационным периодом применяются почти исключи­тельно для заклепок (их надо успеть поставить до начала старения).

Все дуралюмины отличаются пониженной коррозионной стойкостью и нуждаются в защите от коррозии (плакировка техническим алюминием (анодом по сравнению с дюралем и это благо) или анодированием).

Сплавы на основе системы Al-Mg-Si

Среди сплавов алюминия, упрочняемых ТО, эти - наименее легированные и поэтому имеют повышенную коррозионную стойкость, удовлетворительно свариваются, высокую технологичность (профили можно прессовать со скоростью в 10 раз быстрее дуралюминов). Прочность после з+ес или ис на уровне 250-350 МПа. Более высокая прочность за счет прес­сэффекта.

Сплавы находятся по составу вблизи квазибинарного разреза Al-Mg2Si (если % Mg/%Si = 1,73 – то точно). Хром и марганец способствуют прессэффекту и размельчению зерна. Медь по­вышает прочность (но снижает коррозионную стойкость).

Сплавы на основе системы Al-Mg-Si-Cu

Это – специальные ковочные сплавы, используемые для промзводства поковок и штампо­вок. Их изюминка – высокая технологическая пластичность и в нагретом состоянии, и в холодном состоянии. Сплавы занимают промежуточное положение между дюралями и авиалями. Упрочняющие фазы W, θ, Mg2Si (не всегда).

Сплавы на основе системы Al-Zn-Mg-Cu (высокопрочные сплавы)

Введение цинка привело к появлению новых упрочняющих фаз : MgZn2 , Al2 Mg3 Zn3 (T –фаза, изоморфная Т- фазе Al2CuMg4 ) в добавление к S- фазе. Поэтому прочность на уровне 600 МПа.

Другие сплавы на основе алюминия

Помимо рассмотренных используются и другие сплавы на основе алюминия, обладающие специальными свойствами, например, жаропрочностью, (АК4-1 системы Al-Cu-Mg с добавками Ni и Fe, образующих равномерно распределенные дисперсные включения фазы  Al9FeNi). Исключительно интересны сплавы системы Al-Cu-Li,  в которых много двухкомпонентных и трехкомпонентных фаз (AlLi, Al7,5Cu4Li, Al2CuLi, Al6Cu4Li3 ). Поэтому прочность на уровне вы­сокопрочных сплавов! Кроме того, повышенный модуль Юнга. Это сплавы ВАД23, 01410.

Литейные алюминиевые сплавы

Главные технологические свойства литейных сплавов: 1.-жидкотекучесть, 2- линейная и объемная усадка, 3- склонность к образованию горячих трещин, 4- склонность к усадочной и газовой пористости, 5- склонность к ликвации. Основной (но не единственный) фактор, определяющий эти свойства – эффективный температурный интервал кристаллизации (не совпадающий с интервалом кристалли­зации, определяемой равновесной диаграммой состояния)

Литейные свойства определяют не только возможность получать нужные по конфигурации отливки, но и  их конструкционную прочность.

Как говорилось выше, увеличение скорости охлаждения при кристаллизации уменьшает расстояние между ветвями дендритов (размер дендритной ячейки) и уве­личивает конструкционную прочность. Поэтому имеет значение способ литья – в землю, в кокиль, литье под давлением. Широко используется также легирование и модифицирование как способы размельчения структуры

В качестве литейных применяются сплавы  на основе  трех систем Al-Si, Al-Cu, Al-Mg c  добавлением других легирующих элементов.

Лучшие литейные свойства характерны для сплавов Al-Si –силуминов.

Наименьший  интервал кристаллизации у эвтектических сплавов. В сплавах Al-Si эвтектика содержит относительно небольшое количество хрупкой фазы (Si). В спла­вах Al-Cu, Al-Mg  доля хрупких фаз в эвтектиках гораздо больше и используются в качестве литейных сплавы доэвтектические с широким интервалом кристаллизации.

Cилумины используются в модифицированном состоянии, так как в результате  модифицирования  повышается и прочность и пластичность. Легированные силумины подвергаются закалке и старению.

Высокопрочный сплав АК8М (σв  280МПа) предназначается для литья под давле­нием. Сплав обладает хорошими литейными свойствами, обрабатываемостью реза­нием, свариваемостью и коррозионной стойкостью. Марганец и титан и большая скорость кристаллизации при литье под давлением способствуют получению пересыщенных растворов и дают возможность проводить искусственное старение (1750С  8 часов) Упрочняющие фазы θ1 и β1.

Сплавы  Al-Cu характеризуются высокой прочностью, хорошо обрабатываются резанием, свариваются, но имеют плохие литейные свойства и герметичность. Мар­ганец способствует получению пересыщенных растворов при кристаллизации При нагреве при закалке  выделяется мелко дисперсная фаза Al12 Mg2 Cu. дополнительно упрочняющая сплав (при старении упрочнение связано с фазой CuAl2) Сплавы Al-Cu используют для деталей при температурах до 3000

Сплавы Al-Mg обладают высокой коррозионной стойкостью вязкостью обраба­тываемостью резанием. Легирование  Be, Ti, Zr  не только устраняет их склонность к окислению и росту зерна, но тормозит естественное старение, снижающее вязкость и пластичность сплавов. Наилучшие свойства – после закалки Без старения!

 

13. Чугуны. Структура, свойства, способы получения, маркировка.

Чугуны бывают: белые, серые, ковкие, высокопрочные, с вермикулярным графитом, специально легированные.

Вид и структура чугуна определяется содержанием постоянных примесей и легированных элементов, а также скоростью охлаждения.

˄Mn ˅Si ˄Vохл – белый чугун, ˅Mn ˄Si ˅Vохл –серый чугун.

При уменьшении Vохл появляется графитизация.

1 – белый чугун Л+ПII

2 – половинчатый Л+Гр+ П+ЦII

3 - серый чугун с перлитной основой Гр

4 – серый чугун с феррито-перлитной основой Ф+П+Гр

5 – серый чугун с ферритной основой Ф+Гр

В серых чугунах графит имеет пластинчатую структуру.

Свойства чугуна зависят от размера графитовых включений, чем больше графита, тем хуже. Измельчают графит с помощью модификации – вставки готовых центров кристаллизации, т.е. Si. Если не принимать никаких мер, то чугун будет с определенным содержанием серы и марганца - Mn ˄S ˅Vохл – серый хрупкий чугун с графитовыми включениями, хорошо работает на сжатие и плохо на растяжение.

Предел прочности увеличивается: Ф+Гр => Ф+П+Гр => Пр.

Маркировка серого чугуна СЧσв десятков МПа. Чем толще отливка тем меньше прочность.

Высокопрочные чугуны.

При модифицировании Mg, графит принимает глобулярную форму – возникают сильные внутренние напряжения. Маркировка ВЧσв десятков МПа. Требует жесткого соблюдения химического состава.

Чугун с вермикулярным графитом.

Для получения такового применяют модифицирование редкоземельными металлами. Маркируют ЧВГσв десятков МПа.

Ковкий чугун.

Это литейный, пластический материал.

Форма графитовых включений – хлопьевидная, получается вследствие отжига отливок из белого чугуна.

Подбирают химический состав таким образом, чтобы %Mn и %Si давали отливки белого чугуна, затем отжигают.

1 – нагрев

2 – первая стадия графитизации Ц => А+Сотж

3 – вторая стадия графитизации А => А+ЦII ; ЦII => А+Сотж

4 – эвтектоидное превращение (рисовать горизонтальную линию) Ц => Ф+Сотж

5 – Ф+Сотж

Маркируют КЧσв-δ%, δ%-относительное удлинение.

Специальные чугуны – с целью повышения износостойкости, коррозионной стойкости, жаропрочности, чугуны легируют Cr, Ni, Cu, Al. Соединения легированных элементов отмечают в марке чугуна.

ЧХ1…ЧХ28; ЧН15ДХ2 (Д – Cu), ЧС15 (Si)

Специальные чугуны могут иметь мартенситную и аустенитную структуру.

 

14. Пластическая деформация. Скольжение, двойникование. Системы скольжения.

Способность пластически деформироваться  - большое технологическое преимущество материалов с металлическим типом связи, обеспечивающее не только возможность получения требуемых размеров фасонного и сортового проката, поковок, листа, проволоки и т.д., но и мощный способ повышения конструкционной прочности деталей и заготовок.

Механизм пластической деформации

При низкой температуре основной механизм пластической деформации – сдвиг, осуществляемый скольжением или двойникованием.

Основными механизмами сдвиговой пластической деформации кристаллических тел являются скольжение и двойникование. Скольжение-это такое перемещение одной части кристалла относительно другой, при котором кристаллическое строение обеих частей остается неизменным. В области сдвига кристаллическая решетка остается такой же, как и в обеих частях кристалла, и каждый атом в этой области перемещается на одинаковые расстояния, составляющие целое число периодов повторяемости решетки. Отполированная поверхность кристалла после деформации скольжением при рассмотрении в оптическом микроскопе оказывается покрытой одной или несколькими системами параллельных тонких линий, называемых линиями скольжения. Эти линии представляют собой ступеньки на поверхности, возникающие в результате сдвига кристалла вдоль плоскости, которая и называется плоскостью скольжения, а направление сдвига в этой области -направлением скольжения. Комбинация данной плоскости и направления скольжения в ней составляет систему скольжения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Сдвиг:    d - расстояние между плоскостями сдвига;   b - между атомами в направлении сдвига

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Двойникование: Кристаллическая решетка двойника – представляет собой зеркальное отражение решетки кристалла от плоскости двойникования

Жесткий (одновременный сдвиг) по плоскости сдвига требует очень больших напряжений, определяемых теоретической прочностью кристаллов металлов.

τтеор = Gb/2πd   (По порядку величин- 1т/мм2 !)

Эксперимент показывает, что скольжение действительно происходит по плоскостям наиболее плотного расположения атомов (d-максимально) в направлении с минимальным расстоянием b между ними.

Такие плоскости и направления определяют системы скольжения.

ГЦК                                -                                  12 систем

ОЦК                   {110} {112} {123}                   48 сисем

ГПУ            <>         (0001)                                       3 cистемы

Дислокационная субструктура, формирующаяся при холодной пластической деформации зависит от многих факторов

1.                  Вид нагруженного состояния (стесненная или не стесненная, Число систем скольжения и т.д.)

2.                  Температура и скорость деформирования (подвижность вакансий, условия переползания и поперечного скольжения и т.д.)

3.                  Свойства дислокаций и твердого раствора (энергия дефектов упаковки, наличие атомного порядка, торможение атомами внедрения)

4.                  Плотность дислокаций и относительная роль механизмов их взаимодействия.

 

15. Изменение структуры и свойств в результате холодной пластической деформации.

Рассмотрим холодную пластическую деформацию поликристалла. Пластическая деформация металлов и сплавов как тел поликристаллических, имеет некоторые особенности по сравнению с пластической деформацией монокристалла.

Деформация поликристаллического тела складывается из деформации отдельных зерен и деформации в приграничных объемах. Отдельные зерна деформируются скольжением и двойникованием, однако взаимная связь зерен и их множественность в поликристалле вносят свои особенности в механизм деформации.

Плоскости скольжения зерен произвольно ориентированны в пространстве, поэтому под влиянием внешних сил напряжения в плоскостях скольжения отдельных зерен будут различны. Деформация начинается в отдельных зернах, в плоскостях скольжения которых возникают максимальные касательные напряжения. Соседние зерна будут разворачиваться и постепенно вовлекаться в процесс деформации. Деформация приводит к изменению формы зерен: зерна получают форму, вытянутую в направлении наиболее интенсивного течения металла (поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль направления деформации). Изменение структуры при деформации показано на рис. 8.1.

Металл приобретает волокнистое строение. Волокна с вытянутыми вдоль них неметаллическими включениями являются причиной неодинаковости свойств вдоль и поперек волокон. Одновременно с изменением формы зерен в процессе пластической деформации происходит изменение ориентировки в пространстве их кристаллической решетки.

Когда кристаллические решетки большинства зерен получают одинаковую ориентировку, возникает текстура деформации.

При холодной пластической деформации происходит трехстадийное упрочнение металла.

Стадия 1:

Стадия легкого скольжения. Металлографически выделяется в виде параллельных полос скольжения. Эти полосы представляют собой ступеньки на поверхности кристалла с высокой до 5 нм, расстояние между отдельными плоскостями 20-30 нм.

На этой стадии активной является только одна система скольжения.

Стадия 2:

Это стадия линейного упрочнения. Коэффициент деформационного упрочнения (угол наклона) имеет постоянное значение.

2-ая стадия начинается тогда, когда внешнее напряжение достигнет такого значения, что движение дислокаций (скольжение) начинается по вторичным плоскостям, то есть в процесс вступают другие системы скольжения, а первичные оказываются блокированными. На этой стадии дислокации имеют достаточно короткий свободный пробег.

Упрочнение обусловлено взаимодействием скользящих дислокаций с дислокационными барьерами.

Для этой стадии также характерна активная работа источников Франка-Рида (резко увеличивается плотность дислокаций, в большом количестве образуются «сидячие» дислокации), происходит наиболее активное упрочнение в монокристалле. Активный вклад вносят пересечение винтовых дислокаций между собой, так как в результате образуется два порога, которые очень малоподвижны (см. выше).

Стадия 3 (динамический возврат):

При достижении определенного значения τ3 происходит качественное изменение в поведении дислокаций – они начинают огибать барьеры.

Для этой стадии характерно: резкое уменьшение коэффициента деформационного упрочнения; развитие процессов поперечного скольжения.

По завершению стадии формируется ячеистая слабоориентированная (доли градуса) структура. Стадия предшествует разрушению кристалла.

 

Hosted by uCoz