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 Al – Fe 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 а2m/а2ж2 , и определяется отношением а2с1/а2ж2. 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+П+ЦII
2 – половинчатый Л+Гр+ П+ЦII
3 - серый чугун с перлитной основой Гр+П
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 => П+Гр.
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.