Биронт, В.С. Структура железоуглеродистых и цветных сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 МИКРОСТРУКТУРА МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ

Структура меди с примесями



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-31-

Согласно диаграмме состояния Cu–S сера образует с медью соедине-

ние сульфида меди Cu

S (рис. 3.2). Сера в

твердой меди практически не растворяет-

ся, поэтому при малых ее содержаниях в

меди формируется хрупкая эвтектика (Cu

+ Cu

В меди с примесью серы эвтектика

чаще всего вырожденная. Микрострукту-

ра (образец 166) представляет собой пер-

вичные кристаллы меди и вырожденную

эвтектику в виде сферических частиц

S. Сульфид меди на нетравленых

шлифах имеет такой же голубоватый

цвет, что и закись меди. Эвтектика (Cu +

не вызывает горячеломкости, т.к.

она плавится при высокой температуре,

но приводит к хладоломкости и снижению

пластичности при горячей обработке давлением. Влияние серы на электро-

проводность невилико и зависит от режима термообработки. Сера улучшает

обрабатываемость меди резанием.

Кристаллизация сплавов меди с висмутом (рис. 3.3

) заканчивается об-

разованием эвтектики (Cu + Bi)

, состав которой почти совпадает с чистым

висмутом (99,86 % Bi), поэтому эвтек-

тика вырождается в одну фазу – Bi. В

системе Cu–Bi образуется легкоплав-

кая эвтектика, температура плавления

которой 270 ºС. Под микроскопом мож-

но увидеть только прожилки практиче-

ски чистого Bi эвтектического проис-

хождения по границам первичных кри-

сталлов меди (образец 174).

Растворимость висмута в твер-

дой меди не превышает 0,001 %. Наи-

более четко включения висмута видны

на тройных стыках зерен меди. Висмут

– хрупкий металл и прослойки его по границам зерен приводят к хладолом-

кости меди и медных сплавов. Висмут считается наиболее вредной примесью

в меди еще и потому, что при температурах горячей прокатки легкоплавкая

эвтектика (t

пл

= 270 °С), расположенная по границам зерен меди, оплавляется,

связь между зернами нарушается и в местах наибольшего скопления висмута

Рис. 3.2. Диаграмма состояния

медь–сера

Рис. 3.3. Диаграмма состояния

медь–висмут

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 МИКРОСТРУКТУРА МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ

Структура меди с примесями



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-32-

возникают трещины, что приводит к горячеломкости меди и ее сплавов. По-

этому содержание ее строго регламентируется, концентрация висмута даже в

меди марки М3 не должна превышать 0,003 %.

Фосфор − один их основных рас-

кислителей меди. Фосфор растворяется в

меди, образуя α -твердый раствор, а при

содержании фосфора более 0,3 % выделя-

ются включения фосфида меди Cu

P (рис

3.4). Предельная растворимость фосфора в

твердой меди при эвтектической темпера-

туре 714 ºС составляет 1,7 %.

При комнатной температуре фос-

фор даже при малых содержаниях фосфо-

ра приводит к резкому снижению элек-

тро- и теплопроводности меди. Остаток

фосфора в меди после раскисления в ко-

личестве 0,013–0,05 % снижает электропроводность на 20–30 %. Поэтому в

марках бескислородной меди (М00б, М0б, М1б) ограничивается содержание

фосфора тысячными долями процента.

Фосфор повышает жидкотекучесть меди, улучшает механические

свойства, способствует улучшению свариваемости. Микролегирование меди

фосфором уменьшает склонность к образованию текстур. Фосфор использу-

ют в медных сплавах как раскислитель в виде лигатуры марки МФ9, напри-

мер, для оловянных бронз.

В структуре лигатуры доэвтектического состава присутствуют пер-

вичные дендриты α-твердого раствора и эвтектика, состоящая из (α + Cu

В заэвтетическом сплаве меди с фосфором (образец 172) в микроструктуре

наблюдаются первичные кристаллы Cu

P и эвтектика (α + Cu

Рис. 3.4. Диаграмма состояния

медь–фосфор

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 МИКРОСТРУКТУРА МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ

Структура меди с примесями



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-33-

Согласно диаграмме состояния

медь–свинец (рис. 3.5

) в области жидкого раствора происходит расслоение

жидкости: при температуре 953 °С реализуется монотектическое превращение,

а при 326 °С – эвтектическая кристаллизация. Эвтектика по составу почти сов-

падает с чистым свинцом (99,96 % Pb), поэтому в сплавах не проявляется ти-

пового строения эвтектики. Структура меди с примесью свинца (образец 173)

состоит из первичных кристаллов меди (т.к. растворимость свинца в меди

очень мала) и включений свинца вырожденной эвтектики. Жидкий свинец

из-за большого поверхностного натяжения склонен к сфероидизации и рас-

полагается в виде изолированных округлых включений по границам зерен

меди.

Свинец не приводит к хладноломкости меди и ее сплавов, т.к. он пла-

стичен, но из-за низкой температуры плавления эвтектики вызывает горяче-

ломкость. Вследствие ничтожно малой растворимости в меди свинец не ока-

зывает заметного влияния на ее электро- и теплопроводность и заметно

улучшает обрабатываемость резанием.

Образец 183 – литая α-латунь (30 % Zn). Структура: дендриты α-твердого

раствора цинка в меди.

Образец 184 – отожженная α-латунь (30 % Zn). Структура: кристаллы

α-твердого раствора цинка в меди.

Образец 181 – рекристаллизованная α -латунь. Структура: полиэдры

(зерна) α-твердого раствора цинка в меди.

Образец 191 – (α + β)-латунь (42 % Zn). Структура: кристаллы α-

твердого раствора (светлые) и β-твердого раствора (темные).

Образец 194 –

сплав ЛЦ23А6Ж3Мц2 (23 % цинка, 6 % алюминия,

3 % железа, 2 % марганца, остальное медь). Структура: α-кристаллы (светлые),

β-кристаллы (темные) и включения марганцево-железистой составляющей.

В соответствии со структурным состоянием медноцинковые сплавы

называются α-латунями или (α+β) латунями. Диаграмма состояния Cu–Zn

(рис. 3.6

) представляет собой совокупность пяти перитектических превраще-

ний и одного эвтектоидного. Образующиеся по перитектическим реакциям β,

γ, δ, ε, η фазы называют β-, γ-, δ-, ε-, η-растворами, они являются промежу-

точными фазами электронного типа переменного состава.

Рис. 3.5. Диаграмма состояния

медь–свинец

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 МИКРОСТРУКТУРА МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ

Структура сплавов на основе меди



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-34-

Рис. 3.6. Диаграмма состояния медь–цинк

Структура двухкомпонентных латуней (сплавов меди с цинком) опреде-

ляется диаграммой состояния системы Cu–Zn. Основные фазы латуней: α-фаза –

твердый раствор замещения цинка в меди с ГЦК решеткой, β-фаза – проме-

жуточная переменного состава с ОЦК решеткой и электронной концентраци-

ей 3/2, твердый раствор на основе соединения CuZn.

Сплав, содержащий в своем составе 30 % цинка, кристаллизуется в

одну стадию с образованием α -твердого раствора. В литом состоянии в ре-

зультате неравновесной кристаллизации латунь имеет типичную дендритную

структуру, соответствующую литым твердым растворам (образец 183). Для

выявления дендритной ликвации латунь травят 8 %-м аммиачным раствором

CuCl

, при этом оси дендритов, обогащенные более тугоплавким элементом −

медью, оказываются светлыми по сравнению с темными межосными про-

странствами, обогащенными цинком, т.е. по сечению дендрита наблюдается

неоднородность по химическому составу – дендритная ликвация. Светлые и

темные участки шлифа принадлежат одной α -фазе, которая в пределах каж-

дого кристалла имеет переменный состав, чем и обусловлена разная трави-

мость. После отжига химическая неоднородность α-твердого раствора устра-

няется и структура состоит из относительно равноосных зерен однородного

твердого раствора (образец 184). Структура литой α -латуни после отжига

имеет такой же вид, как и микроструктура литой меди.

Микроструктура холоднодеформированной α -латуни аналогична

структуре холоднодеформированной меди и любого другого однофазного

сплава, т.е. имеет волокнистую структуру. При отжиге холоднодеформиро-

ванной α-латуни или при горячей деформации рекристаллизация приводит к

образованию полиэдрической структуры с большим количеством двойников

(образец 181). Вероятность образования двойников в α -латуни значительно

больше, чем в меди.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 МИКРОСТРУКТУРА МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ

Структура сплавов на основе меди



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-35-

Двухфазная (α + β)-латунь в литом состоянии при ускоренном охлаж-

дении имеет ориентированную структуру, образованную светлыми кристал-

лами α-фазы и темными кристаллами β-фазы. Количество α- и β-кристаллов

в структуре латуней зависит от содержания цинка. Увеличение содержания

цинка приводит к постепенному увеличению количества β-фазы в структуре

(α + β)-латуни.

Для улучшения технологических или механических свойств латуни

дополнительно легируют алюминием, марганцем, железом, никелем, оловом,

свинцом, кремнием, которые вводят в небольших количествах (1–2 %, в ред-

ких случаях до 4 %). При содержании легирующих элементов больше пре-

дельной их растворимости в α - и β-фазах в структуре латуней появляются

новые фазы.

Комплексное легирование специальных латуней позволяет получить

более высокие по сравнению с двойными сплавами системы Cu–Zn меха-

нические свойства, лучшую коррозионную и кавитационную стойкость.

Временное сопротивление разрыву латуней наиболее эффективно по-

вышают алюминий и олово и в меньшей степени марганец. Введение свинца

приводит к снижению прочности латуней.

Относительное удлинение латуней увеличивается при введении желе-

за и небольших количеств марганца (до 2–3 %), остальные элементы умень-

шают относительное удлинение латуней. Железо практически нерастворимо

в латунях и присутствует в них в свободном виде. Частицы железа увеличи-

вают скорость образования центров при кристаллизации и рекристаллизации,

а также тормозят последующий рост зерен и поэтому способствуют измель-

чению структуры. Уменьшение размеров зерна при легировании латуней же-

лезом является причиной отмеченного выше повышения относительного уд-

линения латуней, содержащих железо.

Алюминий, марганец, олово и никель повышают коррозионную стой-

кость латуней; никель вместе с тем уменьшает склонность латуней к кор-

розионному растрескиванию. Благоприятное действие этих элементов на

коррозионную стойкость связано с образованием на поверхности латуней

плотной оксидной защитной пленки. Легирование (α + β)-латуней свинцом в

количестве до 1 % не вызывает горячеломкости, а его присутствие в латуни

улучшает ее обрабатываемость резанием.

Введение в латуни легирующего элемента (кроме никеля) уменьшает

растворимость цинка в меди и способствует появлению и увеличению коли-

чества β-фазы. Никель увеличивает растворимость цинка в меди. При введе-

нии легирующих элементов изменяется концентрация цинка, соответствую-

щая границам α- и (α + β)-области.

Тип микроструктуры многокомпонентной латуни (α, α + β или β)

можно оценить расчетом кажущегося содержания цинка в сплаве с помощью

коэффициентов замены цинка (коэффициентов эквивалентности Гийе). Гийе

установил, что введение в латунь указанных ниже элементов (кроме никеля)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 МИКРОСТРУКТУРА МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ

Структура сплавов на основе меди



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-36-

равноценно увеличению содержания в них цинка. Кажущееся по структуре

содержание цинка Х определяют по следующей формуле:

Zn 1 1 2 2

Cu Zn 1 1 2 2

С +k C+k C +…

Х 100 %

C +C +k C+k C +…

⋅⋅

⋅

⋅⋅

где С

– действительное содержание Zn, %; C

– содержание Cu, %; C

– ко-

личество добавляемого элемента, %; k – коэффициент Гийе.

Коэффициенты Гийе отражают, какому содержанию цинка соответст-

вует введение в медь 1 % (по массе) легирующего элемента и имеют сле-

дующие значения:

0,9

0,5

-1,4

Образец 201 − литая оловянная бронза Сu − 5 % Sn. Структура: денд-

риты α-твердого раствора олова в меди.

Образец 202 – литая оловянная бронза Сu − 13 % Sn. Структура:

α-твердый раствор олова в меди и голубые включения эвтектоида (α + δ).

Образец 203 – свинцовая бронза БрС30 (30 % свинца, остальное –

медь). Структура: твердый раствор свинца в меди и эвтектика (Cu + Pb)

Образец 205 – бериллиевая бронза БрБ2,5 (2,5 % бериллия, 0,4 % ни-

келя, остальное – медь). Структура: твердый раствор бериллия в меди и эв-

тектоид (α + γ)

Образец 212 – алюминиевая бронза Cu − 10 % Al литая. Структура:

твердый раствор алюминия в меди и эвтектоид (α + γ

)

Микроструктура двойных оловянных бронз определяется диаграммой

Cu–Sn (рис. 3.7

). В равновесии с α -твердым раствором в сплавах, содержа-

щих до 20 % олова, в зависимости от температуры наблюдаются промежу-

точные фазы – β, γ, δ и ε. Фазы β и γ образуются по перитектическим реакци-

ям, δ – по перитектоидной реакции. Все эти фазы являются твердыми раство-

рами на основе промежуточных соединений электронного типа. Фазы β, γ, δ

при соответствующих температурах распадаются с образованием эвтектоид-

ных смесей. Ввиду затруднительных условий диффузии при низких темпера-

турах процесс распада в твердом состоянии чаще всего ограничивается эв-

тектоидным превращением, протекающим при 520 °С γ → (α + δ).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 МИКРОСТРУКТУРА МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ

Структура сплавов на основе меди



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-37-

Рис. 3.7. Диаграмма состояния медь–олово

Широкая область α -твердого раствора, указанная на диаграмме

сплошной линией, характерна только для равновесных сплавов, подвергну-

тых медленному охлаждению. В сплавах системы Cu–Sn при неравновесной

кристаллизации развивается значительная внутридендритная ликвация из-за

широкого интервала кристаллизации, вследствие чего в производственных

условиях неравновесная β-фаза появляется при концентрациях более 6–8 %

Sn вместо 13,5 % по диаграмме состояния. При последующем охлаждении

она испытывает эвтектоидный распад β → α + γ, который затем сменяется эв-

тектоидным превращением γ → α + δ. Эвтектоидное превращение δ → γ + ε

протекает очень медленно и δ-фаза сохраняется до комнатной температуры

даже при довольно медленном охлаждении. В производственных условиях

сплавы ведут себя так, как если бы растворимость олова в меди была посто-

янной и не менялась с температурой.

К числу однофазных сплавов относятся бронзы с содержанием олова

до 6–8 % (образец 201), структура которых состоит из дендритов α -твердого

раствора олова в меди.

Двухфазные бронзы содержат олова более 8 %. Кристаллизация двух-

фазных бронз протекает в две стадии: от линии ликвидус до 796 °С происхо-

дит кристаллизация твердого раствора и последующее перитектическое пре-

вращение при 798 °С Ж + α → β с избытком α-фазы. При дальнейшем охлаж-

дении структура бронз формируется за счет фазовых превращений в твердом

состоянии. При температуре 586 °С β -фаза распадается с образованием эв-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 МИКРОСТРУКТУРА МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ

Структура сплавов на основе меди



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-38-

тектоида (α + γ)

э-д

, при 520 °С γ-фаза в свою очередь распадается на эвтек-

тоид [α + δ(Cu

)]

э-д

Бронза Сu − 13 % Sn (образец 202) имеет следующую структуру:

α-твердый раствор олова в меди и голубые включения эвтектоида (α + δ).

Превращение δ → (α + ε)

при температурах ниже 350 °С реализуется только

при условиях длительных выдержек сильно наклепанных образцов.

В отожженных двухфазных бронзах существуют α- и δ-фазы, причем

в α-растворе из-за чрезвычайно малой скорости его распада при низких тем-

пературах удерживается до 15,8 % меди. Эвтектоид [α + δ(Cu

)]

э-д

состо-

ит из бледно-голубой основы интерметаллида δ(Cu

) с темными изолиро-

ванными включениями α-фазы. В структуре сплавов, содержащих более 15 %

олова, эвтектоид всегда присутствует в качестве равновесной составляющей.

Структура литейных многокомпонентных оловянных бронз с добав-

ками цинка, свинца состоит из первичных кристаллов α -раствора олова и

цинка в меди, эвтектоида (α + δ)

и включений свинца.

В сплавах, содержащих свинца менее 41 %, в том числе свинцовой

бронзе БрС30 (образец 203), кристаллизация начинается с выделения избы-

точных кристаллов меди (рис. 3.5

). По достижении температуры 953 °С в

бронзе происходит монотектическая кристаллизация жидкости по реакции

→ Cu + Ж

92,6

. Охлаждение сплава от 953 °С до 326 °С вызывает дальней-

шую кристаллизацию жидкости, богатой свинцом, путем выделения из нее

дополнительных кристаллов меди. Это приводит к обогащению жидкости

свинцом до 99,96 % при температуре 326 °С. При этой температуре идет эв-

тектическая кристаллизация жидкости: Ж

99,96

→ Cu + Pb, которая практиче-

ски приводит к образованию выделений чистого свинца (30–35 % Pb). Струк-

тура сплава БрС30 представлена зернами меди и эвтектики, состоящей прак-

тически из чистого свинца (99,96 % Pb).

Свинцовые бронзы подвержены сильной ликвации. При кристаллиза-

ции в ней могут появиться поры. Чтобы отличить поры от включений свинца,

следует после наведения на резкость с помощью винта микронаводки мед-

ленно приблизить объектив к шлифу. При этом изображение поверхности

шлифа вместе с включениями свинца становится не резким, в то время как

внутри крупных пор делаются видимыми очертания их стенок. Особенно хо-

рошо эти отличия видны при исследовании методом темного поля.

В бронзе БрБ2,5 (образец 205), содержащей кроме меди и бериллия,

некоторое количество никеля, который полностью входит в твердый раствор

на основе меди, для анализа структуры можно использовать диаграмму со-

стояния Cu–Be (рис. 3.8

). Формирование структуры бериллиевой бронзы при

охлаждении из жидкого состояния идет по механизму кристаллизации твер-

дого раствора.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 МИКРОСТРУКТУРА МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ

Структура сплавов на основе меди



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-39-

Рис. 3.8. Диаграмма состояния медь–бериллий

После окончания кристаллизации сплава вследствие уменьшения рас-

творимости бериллия в меди с понижением температуры происходит выде-

ление из твердого раствора кристаллов избыточной β -фазы переменного со-

става. При 578 °С происходит эвтектоидный распад β -фазы: β → α +

γ(CuBe). При дальнейшем охлаждении из-за сильного уменьшения растворимо-

сти бериллия в меди происходит выделение из α-твердого раствора вторичных

кристаллов γ-фазы. Структура литого сплава БрБ2,5 состоит из дендритов α -

твердого раствора и эвтектоида (α + γ)

Бронза БрБ2,5 является термически упрочняемой бронзой, обладаю-

щей после термической обработки высокими механическими свойствами, со-

измеримыми со свойствами высокопрочных сталей.

Образец 212 – алюминиевая бронза Cu − 10 % Al (10 % алюминия, ос-

тальное – медь) в литом состоянии. Структура состоит из α-твердого раство-

ра алюминия в меди и эвтектоида (α + γ')

э-д

Согласно диаграмме состояния Cu–Al (рис. 3.9

) сплавы, содержащие

менее 8,3 % Al, должны состоять из одной фазы – α-твердого раствора алю-

миния в меди.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 МИКРОСТРУКТУРА МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ

Структура сплавов на основе меди



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-40-

Рис. 3.9. Диаграмма состояния медь–алюминий

Сплав Cu−10 % Al кристаллизуются с образованием β -фазы, которая

устойчива до 950 °С. При дальнейшем охлаждении сплава происходит выде-

ление α-фазы из β-фазы: β → α. При температуре 565 °С β-фаза распадается с

образованием эвтектоида β → (α + γ')

. При комнатной температуре структу-

ра сплава Cu−10 % Al состоит из зерен α-твердого раствора и эвтектоида ( α +

γ')

. Кристаллы α-раствора – светлые, эвтектоид (α + γ')

– темный. Двухфаз-

ное строение эвтектоида различить трудно вследствие высокой дисперсности

фаз.

Сложнолегированные алюминиевые бронзы, кроме указанных струк-

турных составляющих, содержат точечные включения железной составляю-

щей, равномерно распределенной по всему шлифу на светлом фоне α-фазы.

Большинство алюминиевых бронз относится к термически неупроч-

няемым сплавам, деформируемые полуфабрикаты подвергают до- и рекри-

сталлизационному отжигу. Сложнолегированные (Ni, Fe) бронзы являются

термически упрочняемыми и к ним применяют термическую обработку, со-

стоящую из закалки и отпуска.

1. Сформулировать цель работы.

2. Представить в порядке выполнения работы рисунки микроструктур

меди и ее сплавов. Под каждой микроструктурой указать увеличение микро-

скопа, марку сплава, химический состав.

3. На микроструктуре стрелками указать структурные составляющие

сплава.