Дубовий_О._М._и_др.pdf(Материаловедение)

ЗБІРНИК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

Олово, нікель, алюмінійікремнійпідвищуютьміцність, пружнівластивості та корозійну стійкість бронз, а в поєднанні зі свинцем, фосфором, цинком– щейантифрикційнівластивості. Залізотанікельподрібнюють зерно бронз, манган і кремній підвищують їхню жароміцність. Берилій, хромтацирконій, утворюючизміддюα'-твердийрозчинзмінноїконцен- трації, поліпшуютьміцніснівластивостібронзунаслідокдисперсійного твердіння.

Порівнянозлатунямибронзимаютьвищіміцність, корозійнустійкість та антифрикційні властивості. Вони дуже стійкі на повітрі, в морській воді, розчинахорганічнихкислот.

Деформівні бронзи легко обробляються куванням, штампуванням (у холодному та гарячому станах), різанням, добре паяються, але гірше зварюються. Бронзи, в яких легуючі елементи входять у твердий розчин, зміцнюютьхолодноюпластичноюдеформацією. Наступнимнизькотемпературнимвідпалом(300...350 °С) можназнятинапруженняіпідвищитиїхніпружнівластивості.

Ливарні бронзи, маючи низьку ливарну усадку (крім алюмінієвих) та високу рідкоплинність, застосовуються для виготовлення фасонних виливків. Виливкизбронзипіддаютьгомогенізаційномувідпалупритемпературі 650...800 °С залежно від складу сплаву.

Алюмінієві бронзи містять 4...11 % алюмінію та присадки заліза, мангану і нікелю. Бронзи, які містять до 4...5 % алюмінію, – це α' -твер- дийрозчиналюмініювміді. Прибільшомувмістіалюмініювїхнійструктурі з'являється інтерметалічна сполука Cu3Al.

Однофазні алюмінієві бронзи обробляються тиском у холодному і гарячому станах. Вони піддаються рекристалізаційному відпалу при температурі 600...750 °С.

Двофазніалюмінієвібронзиобробляютьсятискомвосновномувгарячому стані (при 750...800 °С). Після гартування від температури 830...

...860 °Свонинабуваютьвисокоїпластичності. Підвищенняміцностідосягається відпуском при температурі 300...350 або 580...620 °С залежно від складу сплаву.

Олово, свинець та їх сплави. Серед інших технічних металів оловотасвинецьвідрізняютьсявідноснонизькоютемпературоюплавлення, низькоютвердістюівисокоюкорозійноюстійкістю.

Свинець має температуру плавлення 327,4 °С і кристалізується у ГЦК-ґратку. Даний метал належить до важких металів, його густина складає 11,3 г/см3.

82

Дослідження мікроструктури кольорових металів та сплавів

Температура плавлення олова 232 °С. Для нього в залежності від температурихарактернідвіполіморфнімодифікації. Безпосередньопри кристалізації утворюються кристали олова з тетрагональною ґраткою. Цямодифікаціяназиваєтьсяβ-Sn. Оловоβ-модифікаціїєстійкимдотем- ператури 18 °С, а потім переходить до нової модифікації α-Sn з ґраткою типуалмазу. Перехідоловазβ- уα-модифікаціюсупроводжуєтьсярізкими об'ємнимизмінами, щопризводитьдойогоруйнуванняіперетворенняна чорний порошок. При температурі 18 °С і трохи нижче швидкість поліморфного перетворення дуже мала і його можна практично не враховувати. При температурах –30…–40 °С це перетворення проходить дуже інтенсивно. На виробах спочатку з'являються темні нарости, а потім наступає повне руйнування. Це явище називають "олов'яною чумою". Відновити таке олово можливо тільки переплавкою. Домішки свинцю, сурмиуневеликійкількостірізкознижуютьшвидкістьполіморфногоперетворення, а при концентраціях 0,5 % і вище повністю блокують його. Густина олова складає 7,3 г/см3.

Технічне олово і свинець завжди містять у собі деякі домішки. Усі домішки в олові, крім сурми, практично не розчиняються при кімнатнійтемпературі. Основноюдомішкоюволовієсвинець, вмістякоговдеяких марках, призначених для виготовлення сплавів, допускається до

1…2 %.

Висока хімічна стійкість олова дозволяє застосовувати його для захисних покриттів. Воно не окиснюється у вологому повітрі, є стійким в органічних кислотах і гарячій воді. Домішки значно знижують корозійнустійкість, особливосвинецьіарсен. Сильнікислотиілугирозчиняють олово. Свинець є більш корозійностійким матеріалом порівняно золовом. Вінстійкийугарячійсірчанійкислоті, концентраціяякоїдо80 %, а у холодній – до 92 %; у соляній кислоті – при концентрації до 10 %. Найбільше на свинець діє азотна кислота.

Заумовамироботипідшипниковийсплавповиненматигетерогенну структуру, що складається з м'якої основи та твердих включень. М'яка основа забезпечує гарну припрацьовуваність до вала, тверді включення служатьопорнимиточкамипритерті. Невеликаповерхнязіткненнявала і вкладиша зменшує тертя, а проміжки між валом і м'якою основою забезпечують добру подачу мастила та його рівномірний розподіл.

За хімічним складом усі підшипникові сплави умовно поділяються натригрупи: сплавинаосновіолова, сплавинаосновісвинцю, сплавина основіоловаісвинцю.

83

ЗБІРНИК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

Сплави на основі олова. Бабіти Б89, Б83 є сплавами потрійної системи Sn–Sb–Cu. Ураховуючи, що мідь знаходиться у зв'язаному стані увиглядісполукизоловомCu3Sn тасуттєвоневпливаєнафазовурівновагу, структуру цих сплавів можна описати подвійною діаграмою стану Sn–Sb. За цією діаграмою сурма у кількості до 3,5 % утворює з оловом твердий розчин. При більшій кількості сурми в структурі сплаву з'явля- ютьсякристалиβ-твердогорозчину(наосновіхімічноїсполукиSnSb).

Сплав Б89 має структуру α-твердого розчину сурми і міді в олові звключеннямикристалівхімічноїсполукиCu3Sn (рис. 11.5,а). Унаслідок нерівноважної кристалізації в структурі з'являється деяка кількість не- розчиннихпервиннихкристалівβ-фази.

Сплав Б83 є сплавом олова із сурмою та міддю. Остання вводиться для запобігання ліквації за густиною. Мідь з оловом утворює сполуку Cu3Sn, якакристалізується впершучергувідіншихфазсплаву. Кристалицієїсполуки, щомаютьформузірочокаболанцюжків(див. рис. 11.5,б), утворюють свого роду каркас, який унеможливлює ліквацію за густиною.

аб

Рис. 11.5. Мікроструктурабабітів, × 100:

а – Б89; б – Б83

Кращіантифрикційнівластивостімаютьолов'янистібабітиБ83 іБ89, де буква "Б" означає бабіт, а цифра – вміст Sn у відсотках, решта Sb або Cu. Ці бабіти містять у собі велику кількість олова, яке дорого коштує, тому їх застосовують в основному для заливання підшипників великої потужності, колипотрібнівисокав'язкістьінайменшийкоефіцієнттертя. Для інших цілей використовують бабіти, в яких значна частина олова заміненасвинцем.

Сплави на основі свинцю. Найбільш широке застосування у промисловостіотрималисплависвинцюізсурмоюзневеликимидодатками міді (БС) і свинцю з кальцієм та натрієм (БК).

84

Дослідження мікроструктури кольорових металів та сплавів

СплавБСєзаевтектичнимсплавомсистемиPb–Sb. Структурасплаву складається з первинних кристалів β-твердого розчину та евтектики (α + β). Крім того, за наявності у сплаві міді утворюються кристали хімічноїсполукиCu2Sb. М'якоюосновоюсплавуєсвинець, твердівключення– часткиβ-фазиіхімічноїсполукиCu2Sb.

Сплав БК належить до потрійної системи Pb–Ca–Na. У зв'язку

зтим, що кальцій наявний у кількості до 1 % і повністю знаходиться утвердомурозчині, структурусплавівможнаописатиподвійноюдіагра- моюстануPb–Ca. Згідноізцієюдіаграмоюструктурасплавускладається

зα-твердого розчину і кристалів хімічної сполуки Pb3Ca. М'якою основоюсплавуєтвердийрозчиннатріюікальціюусвинцю, атвердоюскла-

довою – кристали Pb3Ca. Кальцієво-натрієві бабіти мають високі антифрикційні властивості, менш крихкі й більш зносостійкі в порівнянні

збабітами БС. Вони мають добрий опір ударним навантаженням, тому їхзастосовуютьупідшипникахрухомогоскладузалізниць.

Свинцево-олов'янисті сплави. До цих сплавів відносять такі бабіти: Б16, Б6, БН і БТ.

СплавБ16 завмістомкомпонентівналежитьдопочетвереноїсисте-

ми Pb–Sb–Sn–Cu. У цьому сплаві м'якою складовою є твердий розчин олова, сурми і міді в свинцю, твердою – включення β(SnSb)-фази та

часткихімічнихсполукCu3Sn іCu2Sb.

На відміну від бабіту БС, в якому твердою складовою є крихка сур-

ма, бабіт Б16 менш схильний до викришування та зносу, тому що фаза β(SnSb) більш міцна і пластична. Бабіт Б16 застосовують як замінник бабіту Б83 для заливання відповідальних підшипників, що працюють вумовахспокійногонавантаження.

СплавиБНіБТналежатьдомалоолов'янистихбабітів. Значнеполіпшеннямеханічнихйантифрикційнихвластивостейцихбабітівдосягається легуванням їх нікелем, арсеном, кадмієм і телуром.

Нікельітелурзміцнюютьосновусплаву, оскількизнаходятьсяутвердомурозчині. Додаткикадміютаарсенуутворюютьновухімічнусполуку AsCd у вигляді округлих кристалів, які одночасно є зародками для формуванняβ(SnSb)-фази.

Бабітимаютьневеликуграницюміцності– 80…100 МПа, протевона зростаєпідчасприродногостаріння. Процесможнаприскоритинагріваннямдо50…70 °С. Зпідвищеннямтемпературитвердістьбабітівістотно знижується, тому робоча температура не повинна перевищувати 80 °С.

85

ЗБІРНИК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

Титанійогосплави. Титанєоднимзнайважливішихконструкційних матеріалів. Він майже в два рази легше від вуглецевих та легованих сталей, а також багатьох кольорових сплавів; за корозійною стійкістю уморськійводійдеякихіншихагресивнихсередовищахперевищуєнержавіючісталі. Данийхімічнийелементєнемагнітним, маєвисокуміцність і пластичність та характеризується рядом інших цінних властивостей. За поширенням у природі титан серед металів займає сьоме місце після

Al, Fe, Ca, Na, К і Mg.

Титан – метал сірого кольору, який має дві поліморфні модифікації. Низькотемпературна (до 882 °С) модифікація α-Ti характеризується гексагональними щільно упакованими ґратками, високотемпературна β-Ti має ОЦК-ґратки. Густина α-Ti при 20 °С складає 4,5 г/см3, а β-Ti

при 900 °С – 4,32 г/см3.

Особливостямититануійогосплавівєвисокімеханічнівластивості, низька густина, висока питома міцність, гарні технологічні властивості та відмінна корозійна стійкість. Титан має низький модуль пружності, майже в два рази менший, ніж у заліза і нікелю, що ускладнює виготовлення з нього жорстких конструкцій. Механічні властивості титану характеризуються гарним поєднанням міцності та пластичності.

Механічнівластивостітитанудужезалежатьвіднаявностідомішок, особливо водню, кисню, азоту і вуглецю, які утворюють з ним тверді розчинипроникненнятапроміжніфази: гідриди, оксиди, нітридийкарбіди. Невелика кількість кисню, азоту і вуглецю підвищує твердість, тимчасовийопіртаграницюплинності, протеприцьомузначнозменшується пластичність, знижуєтьсякорозійнастійкість, погіршуютьсязварюваність, здатність до паяння і штампованість. Тому вміст цих домішок у титані обмежений сотими, а іноді тисячними частками відсотка. Аналогічно, але у меншій мірі впливають на його властивості залізо і кремній, що утворюють з титаном тверді розчини заміщення.

Припідвищеннітемпературидо250 °Сміцністьтитанузнижується майже в 2 рази.

Титан – холодостійкий метал. При температурі рідкого гелію його σв = 1250 МПа. При цьому, якщо вміст водню малий (менше 0,002 %), титан зберігає високу пластичність (δ = 15…20 %). Пластична деформаціязначнопідвищуєміцністьтитану. Приступенідеформації60…70 % σв іσ0,2 зростаютьмайжев2 рази. Длязняттянаклепупроводятьрекристалізаційнийвідпалпри650…750 °С.

86

Дослідження мікроструктури кольорових металів та сплавів

Легуючіелементизахарактеромвпливунаполіморфніперетворення титану поділяють на три групи: α-стабілізатори, β-стабілізатори та нейтральніелементи.

Титанові сплави в порівнянні з технічним титаном мають при достатньодобрійпластичності, високійкорозійнійстійкостітамалійгустинівищуміцністьприкімнатній(20…25 °С) іпідвищенихтемпературах; у порівнянні з алюмінієвими й магнієвими сплавами – вищі питому міцність, жароміцність та корозійну стійкість. Тому титанові сплави отрималиширокезастосуваннявавіації, ракетнійтехніці, суднобудуванні, хімічнійтаіншихгалузяхпромисловості. Їхвикористовуютьдляобшивки надзвукових літаків, виготовлення деталей конструкцій реактивних авіаційнихдвигунів(дисківілопатоккомпресора, деталейповітрозабірника та ін.), корпусів ракетних двигунів 2 і 3-го ступенів, балонів для стисненихтазрідженихгазів, обшивкиморськихсуден, підводнихчовнів і т. д.

За технологією виготовлення титанові сплави підрозділяють на деформівнійливарні; замеханічнимивластивостями– насплавинормальноїтависокоїміцності, жароміцнітапідвищеноїпластичності; заздатністю зміцнюватися за допомогою термічної обробки – на зміцнювальні й незміцнювальні; за структурою у відпаленому стані – на α-, псевдо-α-, (α + β)-, псевдо-β- і β-сплави.

Деформівні сплави. До сплавів з α-структурою належать сплави титану з алюмінієм (наприклад, ВТ5), а також сплави, додатково леговані оловом або цирконієм (наприклад, ВТ5-1). Вони характеризуються середньою міцністю при 20 °С, високими механічними властивостями прикріогеннихіпідвищених(450…500 °С) температурах. Сплавимають високу термічну стабільність властивостей, гарну зварюваність і задовільну оброблюваність різанням. Міцність зварного шва складає 90 % міцностіосновногосплаву.

Недоліком сплавів з α-структурою є неможливість зміцнювати їх термічною обробкою і низька технологічна пластичність. Сплави з оловомбільштехнологічні, алеценайдорожчізα-сплавів. Угарячомустані α-сплави кують, прокатують і штампують. Їх постачають у вигляді прутків, сортового прокату, поковок, труб і дроту. Призначені вони для виготовлення деталей, що працюють у широкому діапазоні температур: від кріогенних до 450 °С (ВТ5) і 500 °С (ВТ5-1).

Псевдо-α-сплавимаютьпереважноα-структуруіневеликукількість β-фази (1…5 %) унаслідок додаткового легування β-стабілізаторами:

87

ЗБІРНИК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

Mn, V, Nb, Мо та ін. Зберігаючи переваги α-сплавів, вони завдяки наявності β-фази мають високу технологічну пластичність. Недолік цих сплавів – схильність до водневої крихкості. Водень малорозчинний у α-фазі й присутній у структурі у вигляді гідридів, які знижують пластичність, особливо при повільному навантаженні, та в'язкість сплавів. Допустимий вміст водню в псевдо-α-сплавах коливається в межах

0,005…0,020 %.

Двофазні (α + β)-сплави мають краще поєднання технологічних

імеханічних властивостей. Вони леговані в основному алюмінієм

іβ-стабілізаторами. Необхідністьлегуванняалюмініємобумовленатим, щовінзначнозміцнюєα-фазуприкімнатній(20 °С) іпідвищенихтемпературах, тоді як β-стабілізатори в ній малорозчинні й тому суттєво не

впливаютьнаїївластивості. Особливоцінноюдляцихсплавівєздатність алюмініюзбільшуватитермічнустабільністьβ-фази, оскількиевтектоїдоутворюючі β-стабілізатори, якінайбільшефективнозміцнюютьспла-

ви, викликаютьсхильністьцієїфазидоевтектоїдногорозпаду. Крімтого, алюмінійзнижуєгустину(α + β)-сплавів, щодозволяєутримуватиїїприблизно на рівні титану, незважаючи на наявність елементів з великою густиною: V, Сr, Мо, Fe тощо.

Двофазнісплавизадовільнозварюютьсятаобробляютьсярізанням. Післязварюванняпотрібенвідпалдляпідвищенняпластичностізварно-

го шва.

Однофазніβ-сплавинемаютьпромисловогозастосування, оскільки дляотриманнястійкої β-структури вониповиннібутилегованівеликою кількістюдорогих, дефіцитних, звисокоюгустиноюізоморфнихβ-стабілі-

заторів (V, Мо, Nb, Та). Такі сплави дорого коштують і мають знижену питому міцність. Псевдо-β-сплави (ВТ15) високолеговані в основному β-стабілізаторами. Сумарна кількість легуючих елементів, як правило, перевищує 20 %. Найчастіше для легування використовують Мо, V, Сr, рідше– Fe, Zr, Sn. Алюмінійнаявниймайжеувсіхсплавах, алевневеликих кількостях (близько 3 %).

Ливарні сплави. Титанові сплави мають гарні ливарні властивості. Невеликий температурний інтервал кристалізації забезпечує їм високу рідкоплинність ідобру щільність виливка. Вони маютьмалу схильність доутвореннягарячихтріщиніневеликулінійнуусадку(1 %), їхоб'ємна усадка складає близько 3 %.

Донедоліківливарнихтитановихсплавіввідносятьвеликусхильність до поглинання газів і високу активність при взаємодії з формувальними

88

Дослідження мікроструктури кольорових металів та сплавів

матеріалами. Томуїхплавку ірозливання проводять увакууміабосередовищінейтральнихгазів. Дляотриманнякрупнихфасоннихвиливків(до 300…500 кг) використовують чавунні та сталеві форми; дрібні деталі відливаютьвоболонковіформи, виготовленізіспеціальнихсумішей. Для фасонного лиття застосовують сплави, аналогічні за хімічним складом деяким деформівним (ВТ5Л, ВТЗ-1Л, ВТ14Л), а також спеціальні ливарнісплави.

Ливарні титанові сплави характеризуються нижчими механічними властивостями, ніж деформівні. Зміцнювальна термічна обробка різко знижує пластичність ливарних сплавів і тому не застосовується.

Порядок виконання роботи

1.Отримати для проведення роботиколекцію шліфів.

2.Задопомогоюоптичногометалографічногомікроскопадослідити структурусилумінів, латуней, бронз, бабітів, титановихсплавів.

3.Написати звіт по роботі, в якому вказати склад, властивості

йгалузі застосування досліджуваних сплавів, навести схему мікроструктури, пояснитиумовиутворенняструктур.

Прилади, матеріали та інструменти

Дляпроведенняроботинеобхідноматиколекціїмікрошліфів, металографічнімікроскопи.

Контрольні запитання

1.Проаналізуйтеструктуруівластивостіалюмінію, міді, олова, свинцю, титану.

2.Дайтехарактеристикувпливудомішокнаструктуруівластивості алюмінію. Як класифікують алюмінієві сплави? Яка структура забезпечуєсплавамнайкращіливарнівластивості?

3.Проаналізуйтеструктуруівластивостідвокомпонентнихлатуней.

4.Проаналізуйте структуру і властивості бронз.

5.Визначте класифікацію бабітів.

6.Проаналізуйте структуру і властивості бабітів на основі олова.

7.Проаналізуйте структуруівластивості бабітів наосновісвинцю.

8.Проаналізуйте структуру і властивості бабітів на основі олова

йсвинцю.

9.Дайтекласифікаціютитановихсплавів.

10.Проаналізуйтеструктуруівластивостітитановихсплавів.

11.Визначте області застосування досліджуваних сплавів.

89

ЗБІРНИК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

Лабораторна робота № 12

ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ НА МІКРОСТРУКТУРУ І ТВЕРДІСТЬ АЛЮМІНІЄВИХ СПЛАВІВ

Мета роботи: дослідити вплив гартування і старіння на мікроструктуру й твердість дюралюмінів, набути практичні навички проведення гартування та штучного старіння.

Теоретичні відомості

Типовимидеформівнимиалюмінієвимисплавами, щозміцнюються термообробкою, є дюралюміни.

Дюралюміни – сплави потрійної системи Аl–Cu–Mg, до яких додають манган з метою підвищення опору корозії та знешкодження негативного впливу заліза і кремнію. Залежно від марки сплави містять

3,8...4,9 % Cu, 0,4...2,6 % Mg, 0,3...0,9 % Mn. Шкідливими домішками в дюралюмінах є Fe і Si (не більше 0,3...0,8 % кожного). Окрім цих елементів сплави можуть містить до 0,1 % Ni; 0,1 % Ti; 0,1...0,3 % Zn.

Зміцнювальнатермообробкадюралюмінівґрунтуєтьсяназмінірозчинності компонентів у твердому розчині залежно від температури і не супроводжуєтьсяполіморфнимперетворенням. Діаграмастану''алюмі- ній–мідь'' наведена на рис. 12.1. Так, мідь розчиняється в алюмінії при кімнатнійтемпературівкількостіблизько0,2 %, апритемпературі548 °С– до 5,7 %. У відпаленому стані структура більшості дюралюмінів скла- даєтьсязα-твердогорозчинукомпонентівсплавувалюмініютавторин-

90

Дослідження впливу термічної обробки на мікроструктуру ...

рають близькою до температури плавлення евтектик. Нагрів під гартування до температури вище за допустимих меж може призвести до оплавлення легкоплавких структурних складових (евтектик (Е)) по границяхзерен, щосупроводжуєтьсяокисненнямметалутаутвореннямпри подальшій кристалізації рідкої усадкової пористості. Навіть початкові стадії перепалу викликають різке зниження пластичності матеріалу,

апотіміміцності.

Увсіх загартованих дюралюмінах α-твердий розчин значно перенасичений міддю та магнієм. Перенасиченість цього розчину майже не впливаєнапідвищеннятвердостітаміцностісплавів, дужемалозмінюєть-

ся також їхня пластичність. Після гартування в структурі дюралюмінів крімα-фазизалишаютьсянерозчиненісполукизаліза.

Стан пересиченого твердого розчину є термодинамічно нестійким, і згодом у ньому розвиваються процеси, які підготовлюють виділення надлишковоївторинноїфази. Унаслідоктривалоївитримкиприкімнатній температуріміцністьсплаву істотнозростаєприодночасному зниженні пластичності. Це явище називають природним старінням сплаву. При кімнатнійтемпературіпроходятьпідготовчістадіїрозпадупересиченого твердогорозчину, внаслідокчогозбільшуєтьсяконцентраціяатомівміді завизначенимикристалографічнимиплощинами, щопризводитьдовикривленнякристалічноїґраткиіпорушенняїїоднорідності. Урезультаті збільшуєтьсяенергіяґратки, щоєпричиноюпідвищенняміцностітазміни іншихвластивостей.

Для практики важливе значення має інкубаційний період – час, протягомякогозагартованийсплавзберігаєвисокупластичність. Цедає можливість безпосередньо після гартування виконувати холодну пластичнудеформаціюсплаву.

Припідвищеннітемпературистаріннядо150…180 °Сівище(штучне старіння) в місцях, в яких концентруються атоми міді, проходить формуваннячастинокновоїфази. Утвореннятакихчастиноквиявляєтьсяза допомогою електронного мікроскопа і супроводжується подальшим збільшеннямміцностісплаву.

Процеси при старінні загартованого сплаву. Після гартування атоми міді в ґратках α-розчину розташовуються довільно. Проте відразупочинаєтьсяпереміщення(дифузія) їхдодеякихділянок: границьблоків мозаїки, місць нагромадження дислокацій тощо. Унаслідок цього утворюються сегрегації атомів міді, що мають товщину в кілька атомних

91