86862

МЕДЬ И МЕДНОНИКЕЛЕВЫЕ СПЛАВЫ

Лабораторная работа

Физика

Ознакомиться со свойствами меди классификацией и назначением сплавов на ее основе. В меди не обнаружено полиморфных превращений во всем интервале температур ниже точки плавления она имеет ГЦК решетку. Модуль упругости меди 120 МПа больше чем у алюминия и магния.

Русский

2015-04-11

348.5 KB

1 чел.

13

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Тульский государственный университет

Кафедра "Физика металлов и материаловедение"

"ЦВЕТНЫЕ СПЛАВЫ"

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

МЕДЬ И МЕДНОНИКЕЛЕВЫЕ СПЛАВЫ

для студентов очного обучения

Тула - 2005 г.


Разработали

Е.М.Гринберг

доктор технических наук, профессор

В.Я.Котенева

кандидат технических наук, доцент


1. Цель работы       
       

1. Ознакомиться со свойствами меди, классификацией и назначением  сплавов  на ее  основе.

2. Изучить микроструктуры  медноникелевых сплавов и установить связь между микроструктурой сплавов и диаграммой состояния "Cu - легирующий элемент".

2. Краткие теоретические сведения

Символ Cu, порядковый номер 29, атомный вес 63,54, основная валентность Cu2+, плотность 8,9 г/см3, температура плавления 1083 С, температура кипения 2600 С, твердость в отожженном состоянии 35 НВ.

В меди не обнаружено полиморфных превращений, во всем интервале температур ниже точки плавления она имеет ГЦК решетку. По электропроводности и теплопроводности медь занимает второе место после серебра. Модуль упругости меди (~120 МПа) больше, чем у алюминия и магния. Чистейшая медь обладает небольшой прочностью и высокой пластичностью. Ее временное сопротивление разрыву составляет примерно 200 МПа, предел текучести 40...80 МПа, относительное удлинение ~35 %.

Химическая активность меди сравнительно невелика. В кислороде медь окисляется уже при комнатной температуре, но с азотом не взаимодействует даже при весьма высоких температурах. При обычной температуре сухой воздух и влага порознь не действуют на медь и она сохраняет свой розовато-красный цвет. Во влажном воздухе медь тускнеет из-за образования на ее поверхности темно-красной закиси Cu2O. Во влажной  атмосфере в присутствии углекислого газа она покрывается пленкой зеленого цвета (патиной), гидроокисным карбонатом меди CuCO3Cu(OH)2.

Взаимодействие меди с легирующими элементами и примесями

В литом состоянии в зависимости от условий кристаллизации чистая медь имеет полиэдрическую или дендритную структуру. При деформировании зерна меди дробятся, вытягиваются, образуя волокнистую структуру, ориентированную вдоль главного направления деформации. После рекристаллизационного отжига структура становится равноосной, полиэдрической с большим количеством двойниковых прослоек, образующих в плоскости шлифа ряд параллельных полосок внутри зерен. Такую же структуру имеет медь после горячей пластической деформации.

Медь образует непрерывные растворы с соседними элементами Периодической системы Au, Ni, Pd, Pt, а также с Mn. Ближайший к меди металл - Ag - обладает только ограниченной растворимостью в твердой меди. Элементы, сильно отличающиеся от меди по строению и свойствам (O, Se, Te, Tl, Cr, Mo, W, Ta, Re, U), полностью не смешиваются с ней в жидком состоянии.

Структура и свойства меди существенно зависят от присутствующих в ней примесей. По характеру взаимодействия с медью примеси можно разделить на три группы.

К первой группе относятся металлы, растворимые в твердой меди (Al, Fe, Ni, Zn, Ag, Au, Pt, Cd, Sb). В тех количествах, которые характерны для металла технической чистоты, эти элементы не создают самостоятельных структурных составляющих и существенно не влияют на свойства меди. В больших количествах некоторые из них благоприятно сказываются на свойствах меди и поэтому применяются для легирования.

Вторая группа представлена элементами, практически нерастворимыми в меди в твердом состоянии и образующими с ней легкоплавкие эвтектики (Bi, Pb). Нерастворимые примеси обычно отрицательно влияют на механические и технологические свойства меди. Наиболее вредная примесь - висмут. В системе Cu-Bi (рис.1) образуется легкоплавкая эвтектика, состав которой почти совпадает с чистым висмутом (99,8 %Bi). Эвтектика кристаллизуется практически при той же температуре, что и висмут (270 С).

Растворимость висмута в меди ничтожно мала и не превышает 0,001 %. Поэтому эвтектические выделения почти чистого висмута в виде тончайших прослоек по границам первичных зерен появляются при ничтожно малых его количествах. Вследствие хрупкости висмута это приводит к хладноломкости меди и ее сплавов. При температурах горячей прокатки легкоплавкая эвтектика по границам зерен плавится, связь между зернами нарушается, и в местах наибольшего скопления висмута возникают трещины. Таким образом, эвтектические прослойки по границам зерен являются причиной не только хладноломкости, но и горячеломкости меди и ее сплавов.

Аналог висмута - сурьма - из-за заметной ее растворимости в меди оказывает значительно менее вредное влияние. Однако сурьма сильно уменьшает теплопроводность и электропроводность меди.

Свинец дает с медью монотектическое превращение при 953 С и эвтектическое при 327 С (рис.2). Эвтектика в системе Cu-Pb по составу почти совпадает с чистым свинцом (99,96 %). Растворимость свинца в меди ничтожно мала, поэтому эвтектические выделения по границам зерен появляются при очень небольших его содержаниях.

Свинец не приводит к хладноломкости меди и ее сплавов, так как он пластичен, но из-за низкой температуры плавления эвтектики вызывает горячеломкость. Вместе с тем свинец облегчает обработку меди и ее сплавов резанием, так как делает стружку более ломкой. Если хорошая обрабатываемость давлением при высоких температурах не является решающим фактором, то в меди и ее сплавах допускают довольно большое содержание свинца.

В отличие от висмута свинец располагается не в виде прослоек, а в виде изолированных округлых включений по границам медных зерен. Поскольку свинец мягок и плохо полируется, его включения рассеивают свет и хорошо видны на нетравленном шлифе в виде черных пятен. Чтобы не спутать их с загрязнениями, расположенными произвольно, шлиф травят, после чего четко выявляется закономерное распределение включений свинца по границам зерен.

Третью группу составляют полуметаллические и металлические элементы, образующие с медью химические соединения (P, Se, S, O, Te, As и др.). Растворимость кислорода в меди мала и составляет при 1065 С всего 0,011 %. Образующаяся при избытке кислорода сверх его растворимости закись меди Cu2O дает с медью эвтектику Cu + 3,4 %Cu2O (или 0,39 %О2), которая плавится при температуре 1065 С, т.е. выше температур горячей прокатки меди. Поэтому кислород не вызывает горячеломкости меди, однако наличие закиси меди неблагоприятно влияет на пластические свойства, технологичность, коррозионную стойкость меди. При отжиге в атмосфере, содержащей водород,  в результате реакции последнего с закисью меди образующиеся внутри металла пары воды высокого давления вызывают разрушение меди. Это явление называют водородной болезнью. Кислород затрудняет также пайку, сварку и лужение меди.

Сера уже при самых малых ее содержаниях образует с медью хрупкую эвтектику Cu + Cu2S, что приводит к хладноломкости и снижению технологической пластичности при горячей обработке давлением.  Эта эвтектика имеет характерное точечное строение, в литой меди залегает по границам зерен, намечая их контуры даже без травления. При деформации скопления эвтектики разбиваются и вытягиваются в строчки. Строчечная структура наблюдается и на шлифах горячедеформированной и рекристаллизованной меди.

Селен и теллур образуют с медью соединения Cu2Se и Cu2Te, растворимость которых в меди весьма мала. Эти элементы даже в тысячных долях процента резко ухудшают свариваемость меди, снижают ее пластичность, но улучшают обработку резанием.

Техническая медь

Марки и химический состав меди, изготавливаемой в виде катодов, слитков и полуфабрикатов регламентируются ГОСТ 859-78 "Медь. Марки". Согласно этому стандарту марка меди определяется способом получения и содержанием примесей (в скобках указано содержание меди, % не менее): электролитическое рафинирование - М00к (99,9935), М0к (99,97), М1к (99,95); огневое рафинирование - М00б (99,99), М0б (Cu+Ag  99,97); переплавка катодов - М00 (99,96), М0 (99,93), М1 (99,90); переплавка с раскислением - М1р (99,90), М1ф (99,90; повышенное по сравнению с М1р содержание фосфора), М2р (99,70), М3р (99,50); огневое рафинирование отходов меди - М2 (99,70), М3 (99,50).

Механические свойства меди разных марок при комнатной температуре близки, но наблюдается тенденция к повышению прочности и понижению пластичности с увеличением содержания примесей. Временное сопротивление разрыву меди разных марок составляет 220...260 МПа, предел текучести 40...60 МПа, относительное удлинение 46...40 %.

Классификация сплавов на основе меди

Наиболее распространенные легирующие элементы в меди - Zn, Al, Sn, Fe, Si, Mn, Be, Ni. Они повышают прочностные свойства меди. Медные сплавы подразделяются на деформируемые и литейные, а также на термически упрочняемые и термически неупрочняемые. Однако более широко известно деление медных сплавов на латуни, бронзы и медноникелевые сплавы.

Медноникелевые сплавы

Сплавы меди с никелем имеют большое значение для техники, так как они отличаются хорошими механическими свойствами, коррозионной стойкостью и высокими электрическими и термоэлектрическими свойствами, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состояниях.

Медь образует с никелем непрерывные твердые растворы во всем диапазоне температур и концентраций ниже солидуса (рис.3). Никель существенно упрочняет медь, причем максимальной прочностью и твердостью обладают сплавы примерно эквиатомного состава. Сплавы такого же состава имеют в 30 раз большее электрическое сопротивление, в десятки раз меньшую теплопроводность и практически нулевой температурный коэффициент электросопротивления. Медноникелевые сплавы разделяют на две группы: коррозионностойкие и электротехнические. К первым относятся мельхиор, нейзильбер, куниали и ряд новых сплавов.

Мельхиорами называют двойные и более сложные сплавы на основе меди, основным легирующим элементом которых является никель. Мельхиоры имеют однофазную структуру и поэтому хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состояниях. Для повышения коррозионной стойкости в морской воде их дополнительно легируют железом и марганцем. Структура этих сплавов в отожженном после литья состоянии представляет собой полиэдрические зерна -фазы, в которых после холодной пластической деформации и отжига появляются типичные для меди двойниковые прослойки.

Мельхиоры отличаются достаточно хорошими механическими свойствами, которые можно существенно повысить нагартовкой. Наиболее распространены мельхиоры МНЖМц30-1-1 и МН19. Основной недостаток этих сплавов - большое содержание дефицитного никеля.

Нейзильберы принадлежат к тройной системе Cu-Ni-Zn и содержат 5...35 %Ni и 13...45 %Zn. В этой системе имеется обширная область твердых растворов; сплавы указанных составов (кроме высокоцинковых) лежат в области -раствора и имеют однофазную структуру.

Нейзильберы по сравнению с мельхиорами характеризуются высокой прочностью из-за дополнительного легирования цинком. Они легко поддаются горячей и холодной обработке давлением. Нейзильберы отличаются красивым серебристым цветом, не окисляются на воздухе и устойчивы в растворах солей и органических кислот. Наиболее распространенным сплавом этого типа является МНЦ15-20.

Куниалями называют сплавы тройной системы Cu-Ni-Al. Никель и алюминий при высоких температурах растворяются в меди в больших количествах, но с понижением температуры растворимость резко уменьшается. По этой причине сплавы системы Cu-Ni-Al эффективно упрочняются закалкой (с 900...1000 С ) и старением при 500...600 С. Упрочнение при старении обеспечивают дисперсные выделения фаз Ni3Al и NiAl.

Еще более высокую прочность сплавов можно получить холодной деформацией сплавов после закалки перед старением (НТМО). Временное сопротивление разрыву сплавов типа куниаль после закалки с 900 С составляет 250...350 МПа. Холодная деформация на 25 % и последующее старение при 550 С в течение 2...3 ч обеспечивают временное сопротивление разрыву 800...900 МПа при относительном удлинении 5...10 %.

В промышленности применяют куниаль А (МНА13-3) и куниаль Б (МНА6-1,5). Они отличаются высокими упругими и механическими свойствами, коррозионной стойкостью, удовлетворительно обрабатываются давлением в горячем состоянии, не склонны к хладноломкости. При понижении температуры растет не только прочность, но и пластичность этих сплавов.

Электротехнические сплавы меди

Благодаря высокой электропроводности медь - ценный материал в электротехнике. Основной ее недостаток - малую прочность - преодолевают наклепом, легированием, термической и термомеханической обработкой.

Наилучшее сочетание прочности и электропроводности достигается при легировании меди не одним, а двумя или тремя элементами, причем содержание этих элементов можно подобрать таким образом, что снижение электропроводности при совместном легировании будет меньше, чем при введении одного компонента в том же количестве, что и в многокомпонентном сплаве.

Холодной деформацией с суммарной степенью 40...70 % можно повысить прочность практически вдвое прочностные характеристики меди; при этом электросопротивление возрастает всего на 3 %. Однако наклеп можно использовать для упрочнения меди лишь в условиях работы при невысоких температурах, так как выше ~200 С начинается рекристаллизация.

К электротехническим сплавам относятся сплавы тройной системы Cu-Ni-Mn: манганин МНМц3-2, константан МНМц40-1,5 и копель МНМц43-0,3. Все они являются однофазными и легко обрабатываются в горячем и холодном состояниях. Микроструктура после деформации и отжига – полиэдрические зерна -фазы с двойниковыми прослойками.

Характерной особенностью этих сплавов является их высокое электросопротивление при очень малом его температурном коэффициенте. Кроме того, константан и копель обладают высокой коррозионной стойкостью и жаростойкостью, в паре с медью и железом дают большую термо э.д.с., вследствие чего термопары из них могут употребляться до 500…600 С без специальной защиты.

Промышленные бронзы высокой электропроводности содержат не более 1...3 % легирующих элементов. Структура этих сплавов представлена твердыми растворами или имеет небольшую гетерогенность, обусловленную мелкодисперсными избыточными фазами. Бронзы высокой электропроводности по типу упрочнению разделяют на две группы: упрочняемые холодной деформацией и термически упрочняемые сплавы. К первой группе относятся бронзы систем Cu-Ag, Cu-Cd,  Cu-Mg. К термически упрочняемым бронзам относятся, легированные Cr, Zr, Cr+Zr, Ni+Be+Ti, Co+Ni, Cr+Si.

3. Порядок выполнения и оформления работы

1. Ознакомиться с краткими сведениями из теории, законспектировав основные положения.

2. Зарисовать  диаграмму  состояния «медь-никель», указать  фазовый состав во всех областях диаграммы,  дать характеристику  всех фаз  систем.

          3. Получить  комплект  микрошлифов, в который входят образцы  меди и медноникелевых сплавов.

          4. Изучить микроструктуры всех образцов с использованием оптического металлографического микроскопа, зарисовать их, указать структурные  составляющие, сравнив их с атласом микроструктур, описать характерные особенности структурообразования всех сплавов.     

4. Контрольные вопросы

  1.  Какая примесь наиболее сильно охрупчивает медь как при низких, так и при высоких температурах?
  2.  Какая примесь сильно охрупчивает медь только при высоких температурах?
  3.  Испытывает ли медь полиморфные превращения?
  4.  Какое место по теплопроводности занимает медь среди металлических элементов?
  5.  Каков способ получения технически чистой меди марки М00к?
  6.  К какому типу диаграмм относится диаграмма состояния системы "Cu-Ni"? 
  7.  Какой элемент является основным легирующим элементом двойных и более сложных сплавов на основе меди, называемых мельхиорами?
  8.  К какой тройной системе относятся сплавы меди, называемые нейзильберами? 
  9.  К какой тройной системе относятся сплавы меди, называемые куниалями? 
  10.   К какой из двух групп медноникелевых сплавов относятся мельхиоры, нейзильберы и куниали?

Литература

1. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В,А. Металловедение и термическая обработка  цветных металлов и сплавов. Учебник для вузов / М.: *МИСИС*, 1999.- 416 с.

2. Материаловедение. Учебник для  вузов / Б.Н. Арзамасов,  И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др.; Под  общ.  ред. Б.Н. Арзамасова. -  М.:  Машиностроение, 1986.- 384 с.

3. Мальцев  М.В., Барсукова Т.Я., Боряк Ф.А.   Металлография цветных металлов и сплавов (с атласом микроструктур).- М.: ГНТИЛ по черной и цветной металлургии, 1960. - 372 с.

4. ГОСТ 859-78 "Медь. Марки".

5. ГОСТ 492-73 "Никель, сплавы никелевые и медно-никелевые, обрабатываемые давлением. Марки".  

Рассмотрено на заседании кафедры

протокол №___ от "___" ______2001 г.

Зав.кафедрой___________А.Е.Гвоздев


Рисунки к лабораторной работе № 4

Рис.1. Диаграмма состояния системы Cu-Bi

 

Рис.2. Диаграмма состояния системы Cu-Pb

Рис.3. Диаграмма состояния системы Cu-Ni


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

14455. Професійна діяльність людини та її вибір. Професіограма 56.5 KB
  Тема: Професійна діяльність людини та її вибір. Професіограма. Мета: Навчальна: сформувати знання про види професій. Виховна: виховувати в повагу до людей всіх професій. Розвиваюча: розвивати у школярів світогляд професійне спрямування. Надати широку інформацію п
14456. Технічне конструювання. Поняття про розрізи та перерізи 40 KB
  Тема: Технічне конструювання. Поняття про розрізи та перерізи. Мета: Навчальна: ознайомити з особливостями виконання розрізу та перерізу навчити виконувати і читати креслення предмета при виконанні розрізів та перерізів; Виховна: виховувати відпов
14457. Оздоблення виробів з металів 53 KB
  ТЕМА ЗАНЯТТЯ: Оздоблення виробів з металів. МЕТА ЗАНЯТТЯ: Навчальна: Сформувати знання про основні види оздоблення металів. Виховна: виховувати культуру праці працелюбність бережне відношення до майна; Розвиваюча: розвивати технічне мислення сприяти розвитку
14458. Робоче місце фрезерувальника. Підготовка верстата НГФ-110 Ш4 до роботи. Фрезерування плоских поверхонь, пазів 67.5 KB
  Тема. Робоче місце фрезерувальника. Підготовка верстата НГФ110 Ш4 до роботи. Фрезерування плоских поверхонь пазів. Мета:ознайомити учнів з технологічним процесом утворення плоских поверхонь уступів виступів канавок навчити виконувати плоскі поверхні на фрезерному в...
14459. Будова деревини. Характеристика порід деревини. Фізичні, механічні і технологічні властивості деревини 72 KB
  Тема Будова деревини. Характеристика порід деревини. Фізичні механічні і технологічні властивості деревини. Мета: Навчальна: сформувати знання вміння та навички пов’язані з даними поняттями. Виховна: виховувати в учнів культуру праці та бережливе ставлення до ч
14460. Конструювання навчальних приладів та моделей 35.5 KB
  Тема 7: Конструювання навчальних приладів та моделей. Мета: Навчальна: сформувати знання вміння та навички пов’язані з даними поняттями. Виховна: виховувати в учнів культуру праці. Естетичне сприймання предметів. Розвиваюча: розвивати у школярів спеціальні здібн
14461. Демонтажні та складальні роботи. Електродвигун та його використання 40 KB
  Тема: Демонтажні та складальні роботи. Електродвигун та його використання. Мета: Навчальна: систематизувати знання про призначення та особливості використання колекторного електродвигуна ознайомити з роботою і будовою електродвигуна; сформувати вміння виявляти та ...
14462. Виконання ескізного малюнку виробу із зазначенням інформації необхідної для його виготовлення. Організація робочого місця. Конструювання виробів що містять конічну та циліндричну поверхню 48.5 KB
  ТЕМА: Виконання ескізного малюнку виробу із зазначенням інформації необхідної для його виготовлення. Організація робочого місця. Конструювання виробів що містять конічну та циліндричну поверхню. МЕТА: Навчальна: Продовжити формування знань учнів про принципи і зако
14463. Художнє конструювання виробу з металу (метод комбінаторики). Техніко-технологічні вимоги до виробу 38.5 KB
  Тема. Художнє конструювання виробу з металу метод комбінаторики. Технікотехнологічні вимоги до виробу.. Мета: ознайомити учнів з повторним інструктажем при виконанні слюсарних робіт вибрати об’єкт трудової діяльності; виховувати бережливе ставлення до обладнання ...