Изучение микроструктур цветных сплавов

Цель работы: ознакомить студентов с микроструктурами и маркировкой цветных сплавов.

Приборы, материалы, инструменты:

1) металлографический микроскоп МИМ-10;

2) коллекция шлифов;

3) атлас микроструктур.

Все металлы и их сплавы, за исключением железа и его сплавов, относятся к цветным.

Сплавы на основе меди, алюминия и титана составляют основную группу применяемых в машиностроении цветных сплавов. Они разнообразны и в большинстве случаев имеют сложный состав.

Основными структурными составляющими медных и алюминиевых сплавов являются твердые растворы, механические смеси, химические или интерметаллические соединения.

Структура цветных сплавов по сравнению со структурой сталей отличается большим размером зерен, поэтому микроанализ их производится при увеличении в 100, 200 раз. Структурные составляющие многих цветных сплавов под микроскопом имеют одинаковый вид, что затрудняет микроанализ и требует предварительных данных об их составе и термообработке.

Алюминиевые сплавы

Малый удельный вес, высокая коррозийная стойкость, высокие показатели удельной (относительной) прочности алюминиевых сплавов обеспечивают их широкое применение во всех областях техники в качестве конструкционного материала.

Все алюминиевые сплавы в зависимости от технологии изготовления из них полуфабрикатов и деталей делятся на две группы – деформируемые и литейные.

1. Деформируемые (дуралюмин и кованные) – сплавы алюминия с медью, магнием и другими элементами (железом, марганцем, кремнием). К этим сплавам предъявляются в основном два требования: высокая прочность и способность поддаваться пластической деформации. Деформируемые сплавы алюминия приготовляют в виде листов, лент, профилей, прутков, труб, проволоки и в виде поковок. Наиболее распространенным является дуралюмин, который после термообработки (закалка-старение) дает высокую прочность. Для повышения коррозийной стойкости изделия из дуралюмина подвергают плакированию. Микроструктура отожженного дуралюмина содержит светлые зерна твердого раствора и темные включения Mg₂Si, CuAl₂, FeAl₃. После закалки структура содержит только зерна α-твердого раствора. При старении по границам зерен выделяются мелкие фазы CuAl₂, CuMgAl₂, чем и объясняется резкое повышение свойств дуралюмина после термообработки.

Марки деформируемых сплавов: Д1, Д2, Д6, АК2, АК4.

2. Литейные (силумины) – сплавы алюминия с кремнием (до 14 % Si), применяют для фасонного литья. Требования к ним следующие: хорошая жидкотекучесть, малая усадка, высокая прочность, хорошая обрабатываемость. Высокая прочность силуминов достигается после модифицирования натрием и термообработки (закалка + искусственное старение). Добавка меди повышает механические свойства и обрабатываемость.

Микроструктура силуминов содержит светлые пятна твердого раствора и эвтектику из твердого раствора и кремния.

Марки литейных сплавов: АЛ2, АЛ4, АЛ17В, АЛ8, ВЗ00 и т.д.

Медные сплавы

Чистая медь применяется в качестве электропроводящего, теплопроводящего и уплотнительного материала. Марки M1, M2. В промышленности широкое применение нашли сплавы меди – латунь и бронза.

Латунь – сплав меди с цинком. Техническое применение имеют сплавы, содержащие до 45 %цинка. При содержании цинка до 39 % будет однофазная латунь (пластичная), она может применяться для производства тонких листов и проволоки. Структура однофазной латуни после отжига состоит из характерных зерен твердого раствора с двойниками. Различная окраска зерен объясняется анизотропией свойств. Если цинка в латуни содержится более 39 %, то это будет двухфазная латунь (хрупкая), используемая для прокатки в горячем состоянии. Структура двухфазных латуней состоит из светлых зерен твердого α-раствора, окруженного твердым раствором β. Применяют также специальные латуни, содержащие и другие элементы – алюминий, свинец, олово и т.д. Марки латуней: Л70, Л92, Л62, ЛС59-1 и т.д.

Бронзы –сплав меди со всеми элементами, кроме цинка, с Al, Be, Sn, Pb, P, Fe, Mn, Si. В зависимости от элемента, введенного в медный сплав, бронзы бывают алюминиевые, оловянистые, свинцовые, бериллиевые, кремнистые.

Бронзы обладают высокой коррозийной устойчивостью и хорошей обрабатываемостью резанием. Многие из них имеют также хорошие литейные свойства и высокие антифрикционные свойства.

Большое разнообразие бронз и различное влияние добавок и видов обработки на структуру бронзы значительно затрудняет их металлографический анализ. Микроструктура конкретной бронзы определяется диаграммой состояния и термообработкой. При малом содержании элементов получаются однофазные бронзы, имеющие структуру однородного твердого раствора. При количестве элементов, превышающем необходимое для образования твердого раствора, получаются двухфазные бронзы, имеющие структуру из твердого раствора и эвтектоида.

Марки бронз: Бр.ОФ10-1, Бр. АЖМц10-3-15, БрКМцЗ-1, Бр.Б2.

Титан и его сплавы

Титан обладает низкой плотностью, высокими прочностью и коррозионной стойкостью. Охрупчивается водородом, чувствителен к содержанию примесей, из-за которых резко теряет пластические свойства. Преимущественное применение титан получил в авиа- и ракетостроении, морском судостроении. Технический титан – технологичный металл. Из него изготавливают различные полуфабрикаты. Он хорошо деформируется и сваривается. Твердость НВ = 600-700 МПа. Марки ВТ1-0, ВТ1-00. Обладает полиморфным превращением. aÛb.

Подобно классификации легированных сталей, титановые сплавы классифицируют по структуре, которую они получают после охлаждения на воздухе (нормализация), соответственно с этим сплав разделяют на α-сплавы; α+β-сплавы и β-сплавы.

Современные промышленные α-сплавы сравнительно малопластичны, не охрупчиваются при термической обработке. К сплавам этого класса относится чистый титан и сплавы титана с алюминием; β-сплавы наиболее пластичны, но наименее прочны: при нагреве не испытывают фазовых превращений. Сплавы α+β более прочны, чем однофазные, хорошо куются и штампуются, поддаются термической обработке, охрупчиваются лишь при известных условиях термической обработки (появление β-фазы).При закалке титановых сплавов образуется мартенситная структура игольчатого строения. Легирующие элементы Al, O, N, C в титановом сплаве расширяют a-область (a-стабилизаторы), а V, Cr, Fe, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Sn – b-область (b-стабилизаторы). Титановые сплавы разделяют на a, b, a+b сплавы. a- сплавы сравнительно мало пластичны и не охрупчиваются при ТО; b-сплавы наиболее пластичны, но наименее прочны, не испытывают полиморфных превращений; a+b сплавы – более прочные, чем однофазные, хорошо деформируются, обрабатываются ТО (закалка и старение, азотирование) и слабо охрупчиваются.

 

Порядок выполнения работы

1. Изучить маркировку цветных сплавов. Расшифровать обозначение каждого сплава коллекции.

2. Установить шлиф на предметный столик микроскопа и настроить микроскоп.

3. Зарисовать видимую под микроскопом микроструктур и указать стрелками структурные составлявшие.

4. Расшифровать предложенные преподавателем марки цветных сплавов.

 

Контрольные вопросы:

1. Что называется бронзой?

2. Как классифицируются и маркируются бронзы?

3. Где применяются бронзы?

4. Что называется латунью?

5. Как классифицируются и маркируются латуни?

6. Каково предельное содержание цинка в латуни?

7. Как изменяются механические свойства латуни с повышением содержания цинка?

8. Где применяются латуни?

9. Какие типы сплавов характерны для титановых сплавов?

10. Где применяются титановые сплавы?

11. Что называется модифицированием, как оно проводится и какова его сущность?

12. Как влияет модифицирование на структуру и свойства силумина?

II. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Лабораторная работа № 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ
ПО МЕТОДУ БРИНЕЛЛЯ

Цель работы:

1. Изучить устройство прибора ТШ-2М.

2. Освоить методики определения твердости по методу Бринелля.

Приборы, материалы, инструменты:

1) твердомер ТШ-2М;

2) образцы для измерения твердости;

3) микроскоп Типа МПБ-2 для измерения диаметра отпечатка.

Твердость – это свойство металла сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела определенной формы и размеров.

Твердость по методу Бринелля определяют путем вдавливания стального закаленного шарика диаметром 10,5 мм или 2,5 мм в испытуемую плоскую поверхность под действием заданной нагрузки в течение определенного времени (рис. 14).

 

Рис. 14. Схема испытания на твердость по способу Бринелля.

 

Выбор диаметра шарика, нагрузки и времени выдержки под нагрузкой производится в зависимости от рода и толщины испытуемого материала или образца. В табл. 1 приведены установленные ГОСТом нормы испытаний по Бринеллю.

Число твердости по Бринеллю определяется как отношение нагрузки к сферической поверхности отпечатка и обозначается НВ.

, (1)

где Р – нагрузка на шарик, а F – площадь отпечатка (сегмента).

Поверхность шарового сегмента

, (2)

где D – диаметр шарика в мм, а h – глубина отпечатка в мм.

Но проще измерить диаметр отпечатка d, тогда:

. (3)

Подставляя значение h в формулу (2), получим:

, (4)

а подставляя в формулу (1) получим:

(5)

Чем тверже металл, тем меньше диаметр отпечатка.

Диаметр отпечатка измеряется при помощи микроскопа МПБ-2, имеющего шкалу с ценой деления в 0,1 мм.

Во избежание сложных вычислений числа твердости для каждого отпечатка на практике пользуются готовыми таблицами, в которых приведены числа твердости в зависимости от диаметра отпечатков и нагрузки (табл. 2). Для определения твердости по Бринеллю пользуются твердомером типа ТБ (рис. 15). Прибор включает следующие механизмы, смонтированные на литой чугунной станине:

1. Механизм привода, состоящий из электродвигателя и червячного редуктора.

2. Механизм подъема стола.

3. Механизм подъема рычажного устройства.

4. Механизм переключения движения (реверсирования).

5. Механизмнагружения.

 

Рис. 15. Внешний вид прибора ТБ.

 

Определение твердости. На подвеску 1 устанавливают набор грузов 13. Сама подвеска создает нагрузку 1875 Н. В наборе имеются грузы а, б и в, создающие нагрузки 625 Н, 2500 Н, 5000 Н соответственно. В шпинделе 9 закрепляют наконечник с шариком 8. Образец 7 устанавливают на столик 6. Вращением штурвала 5 приводят в движение винт 4 и прижимают образец к шарику до совпадения указателя 10 с риской, при этом создается предварительная нагрузка 1000 Н. После этого нажатием кнопки включают электродвигатель 2, через эксцентрик 3 и шатун 11 опускается рычаг 12 с нагруженной подвеской 1. При этом нагрузка передается на шарик и последний вдавливается в образец в течение установленного времени. После этого рычаг с грузами поднимается и вращением штурвала 5 против часовой стрелки опускается столик 6. Образец снимают и измеряют оставшийся отпечаток микроскопом МПБ-2 диаметра отпечатка и подсчета по формуле или таблицам ГОСТа 9012-59 значения твердости.

 

Таблица 1

Выбор диаметра шарика и нагрузки в зависимости от твердости
и толщины испытуемого образца

Материал	Интервал твердости в числах Бриннеля	Мнимая толщина испыт. образца, мм	Соотношение между нагрузкой и диаметром шарика	Диаметр шарика, мм	Нагрузка Р, кг	Выдержка под нагрузкой, сек.
Черные металлы	140-450	6-3 4-2 <2	P=30D^2	2.5	187.5
Черные металлы		>6 6-3 <3	P=10	2.5	62.5
Цветные металлы		6-3 4-2 <2	P=30D^2	2.5	187.5
То же	35-130	9-5 6-3 <3	P=1D^2	2.5	62.5
То же	8-35	>6 4-3 <3	P=2.5	2.5	62.5 15.6

 

 

Таблица 2