Микроструктура цветных металлов

 

Среди цветных металлов по объемам производства и применения преобладают сплавы на основе меди и алюминия.

1. Структура медных сплавов.

Основными достоинствами меди являются высокая тепло- и электропроводность, пластичность, малая окисляемость на воздухе. Недостатки – высокая стоимость и невысокая прочность (σ_в ≈ 250 МПа). Структура меди марки M1 показана на рис. 4.5, а.

Латуни – сплавы меди с цинком. Они дешевле и прочнее меди при достаточно высокой пластичности. Латуни дополнительно легируют различными элементами, например: свинцом – для улучшения обрабатываемости резанием (автоматная латунь), оловом – для повышения сопротивления коррозии в морской воде (морская латунь). Типичные структуры латуней приведены на рис. 4.5, б, в.

Оловянистые бронзы – сплавы меди с оловом, обладают высокими литейными и антифрикционными свойствами, а также хорошей химической стойкостью (рис. 4.5 г, д).

2. Структура алюминиевых сплавов.

Основные преимущества алюминия – низкая плотность (почти в три раза легче железа), хорошее сопротивление коррозии, очень высокая пластичность, высокая электропроводность. Недостатки – низкая прочность чистого алюминия (σ_в ≈ 60 МПа), невысокие допустимые рабочие температуры сплавов из-за низкой температуры плавления (660 °С). Структура алюминия приведена на рис. 4.5, е.

Дюралюминий – алюминиевый сплав, содержащий медь (порядка 5 %) и добавки магния и марганца (примерно по 0,5 % каждого). В результате закалки и старения сплав упрочняется до σ_в = 300…600 МПа (рис. 4.5, ж).

Силумины – литейные алюминиевые сплавы, содержащие 10…13% кремния. При повышенной прочности (σ_в = 140…200 МПа) они обладают очень хорошими литейными свойствами (высокой жидкотекучестью, малой усадкой) и используются для изготовления деталей сложной формы методами литья (рис. 4.5, з).

а Медь марки М1 (99,9 % Cu). Зерна меди и включения примесей (Pb, Bi, O) (электрические провода, трубки теплообменников)	б Однофазная латунь марки Л68 (68 % Cu, 32 % Zn). Зерна твердого раствора цинка в меди (самовары, примусы и другие изделия, изготавливаемые холодной штамповкой и вытяжкой из листов)	в Двухфазная латунь марки ЛС59-1 (59 % Cu, 40 % Zn, 1 % Pb). Светлые зерна твердого раствора Zn в Cu, темные поля – химические соединения CuZn (болты, гайки, изготавливаемые точением для электротехники)	Бронза марки Бр010 (90 % Cu, 10 % Sn): г Литое состояние (вверху). Неоднородный твердый раствор олова в меди. д После отжига (внизу). Однородный твердый раствор олова в меди (художественное литье, вкладыши подшипников)
е Алюминий марки А2 (99,9 % Al) после штамповки и отжига. Зерна алюминия и включения примесей – железа, кремния (штампованная посуда)	ж Дюралюминий марки Д1 (Al + 4,5 % Cu + 0,7 % Mg + 0,6 % Mn) после закалки c 510°С в воде и старения. Зерна неоднородного твердого раствора меди и магния в алюминии, включения примесей (детали самолетов)	з Литейный алюминиевый сплав марки АК12 (АЛ2) (Al + 12 % Si). Темные иглы кремния и светлые поля тонкой смеси Al и Si (эвтектики) (отливки сложной формы со средней прочностью: корпуса компрессоров, головки цилиндров бензиновых двигателей)

 

Рис. 4.5. Структуры промышленных цветных металлов и сплавов (увеличение 150)

Задание

 

Пронаблюдать под металлографическим микроскопом и зарисовать микроструктуры образцов, предложенных преподавателем.

Идентифицировать (определить) тип сплава, используя описание к данной работе и дополнительные альбомы фотографий микроструктур.

Охарактеризовать основные свойства и обосновать назначение сплавов данного типа.

 

Контрольные вопросы

 

1. Что означает термин «микроструктура металла»?

2. В чем принципиальное отличие металлографических микроскопов от биологических (медицинских)?

3. Каковы особенности и этапы подготовки образцов для исследования микроструктуры металлов?

4. Каково назначение и возможности металлографического анализа металлов?

5. Почему с увеличением содержания углерода возрастает прочность и ухудшается обрабатываемость резанием стального проката и заготовок (в отожженном состоянии)?

6. По каким признакам в структуре отожженной стали можно оценить содержание в ней углерода и марку углеродистой стали?

7. По каким признакам в микроструктуре можно выявить перегрев стали при закалке?

8. По каким признакам в микроструктуре можно выявить недогрев стали при закалке?

9. Почему микроструктура высоколегированных сталей отличается от структуры углеродистых сталей?

10. По какому структурному признаку можно отличить хромоникелевые коррозионностойкие (нержавеющие) стали?

11. По каким структурным признакам можно отличить чугуны от сталей?

12. По каким структурным признакам можно определить тип чугуна?

13. В чем различие микроструктуры однофазных и двухфазных латуней?

14. Какой структурный признак характеризует литое состояние бронзы?

15. Какие структурные признаки характерны для деформируемых и литейных алюминиевых сплавов?

 

Лабораторная работа 5

 

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА УГЛЕРОДИСТЫХ

И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

 

Общие сведения

 

Основными видами термической обработки стали являются отжиг,нормализация, закалка с последующим отпуском.

Эти операции выполняют путем нагрева стали до определенных температур с последующим охлаждением с различной скоростью (в разных средах).

 

 

Рис. 5.1. Интервал закалочных температур углеродистых сталей (t _зак):

А – аустенит; Ф – феррит; П – перлит; Ц – цементит

 

Температуру нагрева для отжига, нормализации, закалки назначают в зависимости от содержания углерода в стали в соответствии со схемой, приведенной на рис. 5.1. При таком нагреве в стали происходит полиморфное превращение, заключающееся в изменении порядка расположения атомов в кристаллической решетке железа (решетка меняется с ОЦК – объемноцентрированной кубической на ГЦК – гранецентрированную кубическую), кроме того, полностью (в сталях с < 0,8 % С) или частично (при С ≥ 0,8 %) растворяется цементит (карбид железа Fe₃С) и атомы углерода внедряются в решетку железа, образуя твердый раствор углерода в высокотемпературной модификации железа с ГЦК решеткой, называемый аустенитом. Если последующее охлаждение проводить очень медленно, например, вместе с печью, в которой нагревалась сталь, то сталь станет наиболее мягкой, наименее прочной, способной хорошо обрабатываться резанием, штамповкой, гибкой и т. п. Такая разупрочняющая (смягчающая) обработка называется отжигом. Структура после отжига будет состоять из почти чистого железа (феррита – твердого раствора углерода в железе с ОЦК решеткой и содержанием углерода не более 0,02 %) и карбида железа (цементита ).

Для смягчения низкоуглеродистых сталей, содержащих не более
0,45 % С, вместо отжига с длительным медленным охлаждением часто используют более дешевую нормализацию, выполняемую путем нагрева и последующего охлаждения стали на воздухе. Твердость стали после нормализации несколько выше, чем после отжига, но обрабатываемость резанием остается достаточно высокой.

Основной упрочняющей операцией термической обработки является закалка. В этом случае нагретую сталь охлаждают в быстроохлаждающих средах (углеродистые стали – в воде, легированные – в масле). При быстром охлаждении атомы углерода не успевают выделиться из решетки железа (аустенита), а тип решетки (расположение атомов железа) стремится вернуться к низкотемпературному ОЦК состоянию. В результате образуется структура перенасыщенного твердого раствора углерода в железе с решеткой, искаженной многочисленными нарушениями правильности кристаллического строения из-за невыделившихся атомов углерода. Такая структура называется мартенситом и характеризуется максимальной прочностью, твердостью, износостойкостью. Недостатком мартенсита является его высокая хрупкость, что не позволяет практически использовать закаленные стали ввиду опасности внезапных хрупких разрушений при ударных нагрузках, неизбежных при реальной эксплуатации изделий.

Для повышения вязкости и уменьшения хрупкости закаленные стали обязательно должны подвергаться отпуску, выполняемому путем нагрева до различных температур в пределах 150…700 °С в зависимости от требуемых свойств. Охлаждение после отпуска обычно выполняют на воздухе. Повышение температуры отпуска приводит к снижению прочностных свойств (σ_в, σ_0,2) и повышению пластичности (δ, ψ) и вязкости, показано на рис. 5.2 для стали марки 45 (0,45 % С).

По температуре нагрева различают три вида отпуска:

а) низкий отпуск (150…250 °С) применяют для инструментов и износостойких деталей. Немного повышается вязкость за счет уменьшения остаточных закалочных напряжений, твердость и износостойкость практически не снижаются по сравнению с закаленным состоянием;

б) средний отпуск (350…450 °С) обеспечивает довольно высокую прочность, высокую упругость и умеренную вязкость. Применяется для пружин и рессор;

в) в ы с о к и й о т п у с к (450…700 °С) дает наилучшее сочетание достаточной прочности и высокой сопротивляемости ударным нагрузкам, применяется для многочисленной номенклатуры деталей (валы, оси; напряженные болты, гайки, шпильки; средненагруженные шестерни и др.).

 

Рис. 5.2. Изменение механических свойств закаленной стали марки 45

в зависимости от температуры отпуска