Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение (методы анализа, лабораторные работы и задачи)

Подождите немного. Документ загружается.

ЧАСТЬ ПЯТАЯ

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ И

ЗАДАЧИ

ПО

ЦВЕТНЫМ

МЕТАЛЛАМ

СПЛАВАМ

ГЛАВА

XIX

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

ПО

МИКРОАНАЛИЗУ ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ

Для выполнения работ (задачи №

270—283)

следует

предвари-

тельно изучить типичные структуры цветных металлов и сплавов.

СТРУКТУРА

ЦВЕТНЫХ

МЕТАЛЛОВ

СПЛАВОВ

Медь

высокой чистоты в литом и отожженном состоянии имеет

полиэдрическую

структуру,

типичную для всех чистых металлов

(см.

рис. 247). В меди, подвергнутой предварительной деформации,

а затем отжигу, эта структура характеризуется, кроме того, нали-

чием двойников (см. рис. 9), т. е. участков в зерне, в которых атом-

ные

плоскости, соседние относительно остальной части зерна, сдви-

нуты на расстояния, некратные целому периоду и возрастающие

от границы двойника (или плоскости двойникования). Эту часть

кристалла по расположению атомных плоскостей можно условно

рассматривать как зеркальное отражение остальной части кристалла.

В технической меди

могут

присутствовать различные вредные

примеси

— свинец, висмут, кислород, сера и др. Наиболее опасными

из

них являются — свинец, вызывающий красноломкость, и вис-

мут, вызывающий также и хладноломкость. Эти виды хрупкости

объясняются тем, что примеси свинца и висмута располагаются по

границам зерен (см. рис. 270).

Кислород,

сохраняющийся в недостаточно раскисленной меди,

образует участки эвтектики Си—Си

О (рис. 248), которые видны лишь

отливках. В процессе деформации эвтектики разрушаются и в струк-

туре

видны отдельные включения

Си

О,

имеющие светло-серый

или

голубоватый цвет. Примеси кислорода в меди снижают ее элек-

тропроводность и пластичность при нормальной температуре. _

Примеси

серы (в форме соединения Cu

S) присутствуют в виде

отдельных включений. Их можно надежно отличить от включений

Си

только в случае использования при микроанализе поляризо-

ванного света, в котором включения серы приобретают красноватое

окрашивание.

Латуни. В структуре однофазной а-латуни (см. диаграмму

состояния

на рис, 127) присутствуют зерна а-твердого раствора

(рис.

249, а). В

структуре

а + Р-латуни наряду с зернами а-

твердого раствора присутствуют более темные (после травления)

включения фазы р (рис. 249, б).

Примеси

свинца в однофазной латуни присутствуют в виде сплош-

ных пограничных прослоек, что резко снижает механические свой-

Рис. 247. Микроструктура деформиро-

ванной

и отожженной меди, х 200

Рис. 248. Микроструктура литой меди,

содержащей кислород.

Х250

ства. В а + р-латуни они находятся в виде отдельных изолированных

образований внутри зерен, что не вызывает хрупкости при нагреве

(красноломкости).

Легирующие элементы: кремний, алюминий и марганец находятся

твердом растворе в а- и Р-фазах и смещают области существования

Рис. 249. Микроструктура латуни. X 250:

а — однофазной (30% Zn); б — двухфазной (40% Zn)

а- и р-фаз к меньшей концентрации цинка, чем указано диаграммой

(см.

рис. 127).

Оловянные

бронзы.

Структура после литья отличается от указан-

ной

на диаграмме состояния Си—Sn (рис. 128). В бронзах, содержа-

322

щих 4—6% Sn, наряду с зернами а-твердого раствора (или а-твер-

дого раствора и вторичными выделениями CU

SQ) имеются участки

эвтектоида (а + Cu

) или (а + Cu

Sn) (рис. 250). Образование

их — результат сильной ликвации и медленного протекания диффу-

зионных

процессов.

В результате чередующихся процессов отжига и деформации

происходит выравнивание состава; структура даже в сплавах с 6—

• -•'. •• • .•••,•'•••

Рис. - 250. Микроструктура литой

оловянной

бронзы (6% Sn).

Х250

Рис. 251. Микроструктура деформиро-

ванной

и отожженной

оловянной

брон-

зы

(6% Sn).

X250

7% Sn является однофазной. Она наблюдается в виде полиэдриче-

ских зерен а-твердого раствора (рис. 251).

Структура сплавов с 7—10% Sn в литом состоянии—зерна

а-твердого раствора и участки эвтектоида (а + Cu

Sn). Из-за при-

сутствия эвтектоида эти сплавы не деформируются. Количество

эвтектоида в структуре тем больше, чем выше концентрация олова

легирующих элементов: цинка, никеля и фосфора, которые не обра-

зуют

новых фаз и присутствуют в а-растворе.

Свинец,

добавляемый в оловянную бронзу, присутствует в струк-

туре

в виде отдельных включений более или менее округленной

формы.

Алюминиевые

бронзы.

Структура бронзы с содержанием алюми-

ния

до 9,8% после деформации и отжига — зерна а-твердого раствора

(рис.

252, а).

При

содержании от 9,8 до 15,2% А1 в структуре, кроме того,

присутствуют участки эвтектоида (а + б) (рис. 252, б). После за-

калки

этих бронз от температуры, соответствующей области 0-твер-

323

•

-II

•< 'A

Puc.

252.

Алюминиевая бронза:

—

однофазная

(5% Al): б —

двухфазная

(10% Al). X250

швш

••••"•

«•

« , * *.

•

^ •

•«.

•--*.?

„ : •

• • .*

Г/»4 *-^> •.""

•

* '

• *

•

fuc.

253.

Микроструктура закаленной

алюминиевой бронзы (10,5%

А1).Х500

Рас.

254.

Микроструктура отожженного

алюминия (ХЗОО).

(Н. П.

Дронова)

324

дого раствора, их структура состоит из игольчатых кристаллов

мартенситной р"-фазы (рис. 253). Добавка в бронзу легирующих эле-

ментов никеля и марганца не вызывает образования новых фаз-

наблюдается лишь смещение концентрации алюминия, соответству-

ющей переходу от однофазной к двухфазной области (см. рис. 261).

Введение железа сопровождается образованием включений желе-

зистой фазы.

Алюминий

и его

сплавы.

Алюминий после деформации и отжига

имеет однородную зернистую структуру (рис. 254). Микроанализ

Рис. 255. Микроструктура дуралюмина Д16.

Х250:

а —• после отжига; б — после закалки (Н. П. Дронова)-

позволяет^обнаружить присутствие вредных примесей; железа в виде

включений FeAl

темной окраски и кремния в виде сероватых вклю-

чений.

При одновременном присутствии в алюминии и кремния

железа в структуре наблюдаются тройные соединения алюминия!

кремния

и железа, обозначаемые аир (см. рис. 169) и имеющие

вид разветвленных включений; они снижают пластичность как

алюминия,

так и сплавов на его основе.

В структуре дуралюмина в равновесном (отожженном) состоянии

присутствуют зерна а-твердого раствора, в состав которого входят

медь, марганец и магний, а также дисперсные включения фаз W

или

S (светло-серого цвета

) и Mg

S, а также фазы (соединения типа

FeAl) в виде темных образований (рис. 255). После закалки

или

закалки и старения структура дуралюмина — зерна а-твер-

дого раствора и включения соединений железа и кремния с

алюминием.

На

рис. 256 представлена структура деформационно-упрочняе-

мого сплава АМгб после отжига. Видны зерна а-твердого раствора

магния

в алюминии и частицы включений железистых соединений.

После

травления

растворах

NaOH

и HF.

325

Силумины

—

литейные сплавы, содержат

5—14% Si,

Структура

сплавов

при

содержании

до 11,3%

(доэвтектические сплавы) состоит

из

первичных кристаллов

а-твердого

раствора (кремния

алюминии)

Рис. 256. Микроструктура сплава АМгб после отжига (Х300)

(Н.

П. Дронова)

эвтектики

(а + Si)

(рис.

257, а). При

более высокой концентрации

кремния

(заэвтектические сплавы)

структуре

сплавов, кроме

эвтектики,

присутствуют кристаллы кремния

виде пластинок.

ШШШШ*

""i • •

, H •

Рис.

257.

Микроструктура силумина

(12% Si):

— без

модифицирования,

X 250; б —

после модифицирования,

Х250

При

модифицировании сплавов силумина

структура

эвтектики

становится более дисперсной

эвтектическая концентрация кремния

возрастает. Поэтому

доэвтектических сплавах после модифици-

рования

возрастает количество первичных кристаллов

а-твердого

раствора (рис.

257, б).

В специальных силуминах

при

введении меди

могут

быть обнару-

жены частицы СиА1

а при

введении магния Mg

Si.

присутствии

326

меди и магния образуются частицы фазы (Al

CuMg). В

результате

закалки

эти фазы растворяются, а после старения, выделяясь в дис-

персной

форме, упрочняют сплав.

Присутствие в силуминах примесей железа вызывает, кроме того,

образование хрупких избыточных а- или р-фаз (см. рис. 169).

Магний

и его

сплавы.

Структура технического магния после дефор-

мации

и отжига состоит из зерен полиэдрической формы.

Литые или деформируемые сплавы магния имеют

структуру

а-

твердого раствора и избыточной фазы типа

(рис. 258).

.; •

;% - ; ^

••••••••••: . -••*

- .

<?:A't.

«»«

. x

•.' ••

: • - - -

- *

• Л"-

- *.< • •

Hill

Рис. 258. Микроструктура магниевого

сплава (7% Al).

X250

Рис. 259. Микроструктура отожженного

титана

ВТ1-1.Х600

Титан и его

сплавы.

На рис. 259 представлена

структура

дефор-

мированного и отожженного листового технического титана марки

ВТ 1-1. Видно мелкозернистое строение; в некоторых зернах заметны

двойники

рекристаллизации.

Структура большинства сплавов титана либо однофазный а-твер-

дый раствор (сплавы ВТ5, ОТ4, АТЗ и др.), либо двухфазная, состоя-

щая

из а + Р-твердых растворов (сплавы ВТЗ-1, ВТ6, ВТ8 и др.)

(см.

рис. 260). Некоторые из сплавов ВТ15 имеют однофазную струк-

туру

р-твердого раствора.

Сплавы с двухфазной структурой (а + Р) в равновесном состоя-

нии

подвергаются упрочняющей термической обработке — закалке

старению. После закалки от температур однофазной (i-области

они

имеют

структуру,

состоящую из

двух

метастабильных фаз —мар-

тенситной

игольчатого вида (а') и (5-фазы, а при повышенном содержа-

нии

элементов р-стабилизаторов — только из одной метастабильной

Р-фазы

(рис. 260).

Если

закалка однофазных сплавов (как обычно выполняется)

производится от температур не выше границ двухфазной области,

то

структура

сплавов состоит из метастабильных фаз (а' и Р) и а-фазы.

В процессе старения при оптимальных температурах (450—

550°

С), зависящих от состава сплава и

требуемых

свойств, мета-

327

Рис. 260. Микросгруктури сплава ВТЗ-1.Х500:

а — после отжига; б — после закалки, 800* С: » — после старения, 480* С

стабильные ос'- и р-фазы распадаются с образованием дисперсных

частиц а-фазы. В сплавах с эвтектоидным превращением выделяются

также частицы химических соединений. Эти процессы старения

улуч-

шают прочностные свойства, но снижают прочность и вязкость.

Последняя

резко падает в результате низкотемпературного старения

(ниже

450°

С), когда возможно образование метастабильной со-фазы

мартенситного типа.

Сплавы

олова,

свинца

сурьмы

— подшипниковые сплавы (баб-

биты).

Структура их состоит из сравнительно пластичной эвтектики

более твердых, а следовательно, и более износостойких первичных

кристаллов сурьмы.

Структура

других

распространенных подшипниковых сплавов

на

основе сплавов системы Sn—Sb или Sn—Sb—Си состоит из пла-

стичного а-твердого раствора сурьмы и олова (см. темные участки

на

рис. 285), избыточных, сравнительно твердых кристаллов соеди-

нений

SnSb, имеющих более или менее правильную огранку (см.

светлые кубики на р-ис. 285).

структуре

сплавов, содержащих медь, наблюдаются, кроме

того, дендритные звездообразные соединений Cu

Sn; образование

их уменьшает ликвацию сплавов по плотности.

ЛАБОРАТОРНЫЕ

РАБОТЫ

Выполнение приведенных ниже задач предусматривает:

а) зарисовку микроструктур, рассмотренных в микроскопе;

б) подробное описание просмотренной микроструктуры;

следует

перечислить обнаруженные структурные составляющие, описать

форму их выделения (зернистая, игольчатая формы, по границам)

указать примерное количественное соотношение

между

ними и ха-

рактер окрашивания после травления;

в) подробные ответы на дополнительные вопросы, поставленные

в задаче.

Задачи

№273. Провести микроанализ литой меди с низким и повышенным

до

0,1—0,3%

содержанием кислорода.

Указать:

структуру,

которая образуется в литой меди при нали-

чии в ней кислорода, и по правилу отрезков определить по диаграмме

Си—Си

примерное содержание кислорода в каждом из рассмотрен-

ных образцов; дефекты, которые имеет медь, содержащая кислород,

при

нагреве в восстановительной атмосфере; меры, которые

следует

предпринять для уменьшения содержания кислорода в процессе

производства меди.

№

274. Провести микроанализ образцов меди: до деформации,

деформированной, подвергнутой отжигу после деформации.

Определить: а) примерную температуру рекристаллизации меди

(по

правилу А. А. Бочвара) и объяснить механизм этого процесса

его влияние на свойства меди; б) степень вытяжки зерен деформи-

329

рованной

меди; сопоставить для этого размеры зерна по длине (вдоль

направления

течения) и в поперечном направлении.

М 275. Провести микроанализ латуни с содержанием 32% Zn:

литой,

после деформации и отжига.

Указать: а) особенности структуры латуни с 32% Zn в литом со-

стоянии;

б) причину образования неоднородной структуры после

литья;

в) процессы при деформации и последующем отжиге, позво-

ляющие изменить

структуру

латуни по сравнению с литой.

№

276. Провести микроанализ образцов латуни с разным содержа-

нием

цинка (до 42%), в частности латуни с 20, 30, 42% Zn. Указать:

а) изменения в

структуре

латуни, которые вызывают увеличение

содержания цинка, и фазы, присутствующие в исследованных спла-

вах (см. также диаграмму состояния

Си—Zn

на рис. 127), их строе-

ние;

б) области применения латуни указанных составов в технике.

№

277. Провести микроанализ

двух

образцов латуни, имеющих

соответственно

структуру

а и а + Р'-фаз. Указать: а) свойства (ка-

чественно),

которыми обладают а- и (J'-фазы в сплавах

Си—Zn;

б) интервал температур, при которых возможна значительная пласти-

ческая деформация однофазной и двухфазной латуней (см. также

диаграмму состояния

Си—Zn

на рис. 127); в) области применения

этих латуней в технике.

№

278. Провести микроанализ

двух

образцов латуней: с 30% Zn,

с 40% Zn и 1% РЬ (ЛС59-1).

а) Рассмотреть диаграмму состояния

Си—Zn

Си—РЬ

(рис. 129)

описать

структурную

форму, в которой свинец присутствует в ла-

туни; б) указать на основании микроанализа нетравленого шлифа

характер расположения включений свинца в латуни ЛС59-1; травле-

ных шлифов —

структуру

латуней обоих составов; в) объяснить,

для какой цели в латуни типа ЛС59-1 вводят небольшие количества

свинца

№

279. Провести микроанализ оловянной бронзы, содержащей

4—6% Sn; литой и деформированной, а затем отожженной.

Указать: а) особенности литой структуры бронзы данного состава

и,

рассмотрев диаграмму состояния Си—Sn (см. рис. 128), объяснить

причину возникновения неоднородности в структуре, наблюдаемой

при

микроанализе; б) причины изменения структуры этой же бронзы

после деформации и отжига; в) область применения в технике бронзы,

содержащей 4—6% Sn.

Л* 280. Провести микроанализ алюминиевой бронзы, содержащей

5% А1, литой, после деформации и отжига. Указать: а) особенности

литой структуры бронзы с 4—6% Sn и, рассмотрев диаграмму со-

стояния

Си—А1 (рис. 261), объяснить причины возникновения неод-

нородности в структуре, наблюдаемой при микроанализе; б) особен-

ности

структуры этой же бронзы после деформации и отжига и объяс-

нить

причины ее изменения по сравнению с литой бронзой; в) харак-

тер изменения (в равновесном состоянии) структуры и механических

Для решения задачи можно использовать книгу: Мальцев М. В., Барсу-

кова Т. А., Борин Ф. А. Металлография цветных металлов и сплавов. М., Метал-

лургиздат,

1960, 372 с. с ил.

380