86863

ЦВЕТНЫЕ СПЛАВЫ. ЛАТУНИ

Лабораторная работа

Физика

Отрицательное свойство латуней - их склонность к самопроизвольному коррозионному растрескиванию, которое происходит во влажной атмосфере при сохранении в металле после деформации остаточных напряжений. Развитию растрескивания способствует наличие в атмосфере паров аммиака, аммонийных солей, сернистых газов.

Русский

2015-04-11

393 KB

0 чел.

12

PAGE  10

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Тульский государственный университет

Кафедра "Физика металлов и материаловедение"

"ЦВЕТНЫЕ СПЛАВЫ"

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ЛАТУНИ

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 с классификацией, назначением и свойствами сплавов на  основе системы "Cu-Zn".

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

2. Краткие теоретические сведения

Латунями называют сплавы меди, в которых главным легирующим элементом является цинк.

При анализе диаграмм состояния "медь-легирующий элемент" наибольший интерес представляют те закономерности, которые наблюдаются в диаграммах меди с элементами подгрупп IIB-VB:

- диаграммы состоянии меди с элементами одной подгруппы очень сходны между собой, особенно со стороны меди;

- растворимость элементов подгрупп IIB-VB в меди уменьшается с увеличением валентности этих элементов (в ат.%): 39Zn, 20Ga, 12Ge, 6,7As. Максимальная растворимость легирующих элементов в меди соответствует примерно одной и той же электронной концентрации, равной 1,4;

- во всех системах -фаза на основе меди с ГЦК решеткой сменяется -фазой с решеткой ОЦК.  

Это указывает на то, что равновесие - и -фаз в этих системах определяется электронной концентрацией. Имеются три типа электронных соединений, отличающихся электронной концентрацией, при которой они образуются: а) соединения типа -латуни с электронной концентрацией 3/2,  б) соединения типа -латуни с электронной концентрацией 21/13, соединения типа -латуни с электронной концентрацией 7/4.

В сплавах на основе меди соединения с электронной концентрацией 3/2 обычно имеют ОЦК структуру. Классическим представителем этой группы соединений является соединение CuZn (на 1 валентный электрон меди и 2 валентных электрона цинка приходятся два атома), твердые растворы на базе которого и называют -латунями. К этому же типу соединений относятся CuBe, Cu3Al, Cu5Si, Cu5Sn и ряд других.

Соединения типа  -латуни имеют сложную кубическую решетку. К таким соединениям относятся Cu5Zn8, Cu5Cd8, Cu9Ga4, Cu31Sn8.

Электронные соединения типа -латуни имеют плотноупакованную гексагональную структуру. К этим соединениям относятся CuZn3,

Деформируемые латуни

Из медных сплавов латуни получили наиболее широкое распространение благодаря сочетанию высоких механических и технологических свойств. Структура и свойства латуней определяются диаграммой состояния Cu-Zn (рис.1). В этой системе имеется 5 перитектических превращений, в результате которых образуются 5 фаз: , , , и . Растворимость цинка в меди очень велика и обнаруживает необычную температурную зависимость: с понижением температуры эта растворимость возрастает и составляет 32,5 % при 902 С и 39 % при 454 С. С дальнейшим повышением температуры растворимость цинка в меди несколько уменьшается (до 36 % при комнатной температуре).

С увеличением содержания цинка возрастают как прочность, так и относительное удлинение латуней. Относительное удлинение достигает максимального значения при 30...32 %Zn, а затем резко падает, особенно когда появляется -фаза. Временное сопротивление разрыву возрастает до 45...47 %Zn, но как только -фаза полностью сменяет  -фазу, оно резко снижается.

ГОСТ 15527-70 "Сплавы медно-цинковые (латуни), обрабатываемые давлением. Марки" определяет наименования, марки, химический состав и примерное назначение включенных в него сплавов. Маркировка сплавов начинается с буквы Л - латунь;  за ней следуют буквы, означающие основные легирующие элементы (А - алюминий, Ж - железо, Мц - марганец, Н - никель, О - олово, С - свинец, К - кремний, Мш - мышьяк); первые две цифры - средняя массовая доля меди (%), последующие - средняя массовая доля других элементов (%), в том же порядке, как и буквы; остальное до 100 % - массовая доля цинка.

К -латуням относятся: томпак (Л96, Л90), полутомпак (Л85, Л80), латуни (Л70, Л68). Литая -латунь имеет дендритную структуру, разная травимость дендритов обусловлена их переменным составом: оси, кристаллизующиеся первыми, обогащены медью, выглядят светлыми по сравнению с темными межосными прослойками, обогащенными легкоплавким цинком. Диффузионный отжиг отливок способствует устранению ликвации, структура становится однородной зернистой.

Латуни со структурой -фазы пластичны, отличаются высокой технологичностью и легко поддаются горячей и холодной обработке давлением. В температурном интервале 300...700 С -латуни, как и медь, обнаруживают провал пластичности, и этого интервала температур при обработке давлением надо избегать. После деформации и отжига в -латуни, также как и в чистой меди, видны равноосные зерна с большим количеством двойниковых прослоек.

К (+)-латуням относятся сплавы Л63, Л60. После кристаллизации этих латуней они состоят из -кристаллов. При дальнейшем охлаждении происходит распад -фазы с выделением кристаллов -фазы, количество которых постоянно увеличивается вплоть до комнатной температуры. После травления литого сплава четко различаются обе структурные составляющие: светлые зерна (-фаза) и темные промежутки между ними (-фаза). Размер и форма -кристаллов зависят от скорости охлаждения: при большой скорости охлаждения они имеют вытянутую форму, при очень медленном охлаждении или после отжига зерна -фазы становятся равноосными.   

К -латуням относятся сплавы, содержащие более 45 %Zn. Микроструктура этих латуней характеризуется резкой разницей в окраске зерен -фазы, различно ориентированных по отношению к плоскости шлифа. Дендритная ликвация и двойниковые прослойки в -зернах не обнаруживаются.

Стабильная при высоких температурах -фаза очень пластична, а образующаяся из нее при охлаждении `-фаза с упорядоченной структурой, наоборот, хрупка. Поэтому пластичность -латуней с `-структурой при комнатной температуре очень мала, и при содержании около 50 %Zn и более они не поддаются холодной обработке давлением. По указанным причинам в промышленном масштабе применяют лишь  - и (+)-латуни. Однако -латуни представляют интерес как основа сплавов с памятью формы и материалов с высокими упругими свойствами ("сверхупругостью").

Отрицательное свойство латуней - их склонность к самопроизвольному коррозионному растрескиванию, которое происходит во влажной атмосфере при сохранении в металле после деформации остаточных напряжений. Развитию растрескивания способствует наличие в атмосфере паров аммиака, аммонийных солей, сернистых газов. Это явление называют еще сезонной болезнью, так как оно чаще всего происходит весной и осенью, когда влажность воздуха повышена.

Причиной растрескивания является неравномерное распределение остаточных напряжений, способствующее предпочтительной коррозии латуней по границам зерен. Это явление наблюдается в латунях, содержащих более 20 %Zn. Для устранения склонности к растрескиванию достаточно отжечь деформированные полуфабрикаты при температурах ниже температуры рекристаллизации. При таком отжиге эффективно снижаются остаточные напряжения первого рода и сохраняется высокая прочность, обусловленная наклепом. Для большинства латуней достаточно отжига при 270...300 С, чтобы сделать их нечувствительными к действию влажной атмосферы.

Для улучшения свойств латуни дополнительно легируют  Al, Mn, Fe, Ni, Sn, Pb, Si, которые вводят в небольших количествах (1...2 %, в редких случаях до 4 %). Как видно из рис.2, введение в латуни каждого нового элемента (кроме никеля) уменьшает растворимость цинка в меди и способствует появлению и увеличению количества -фазы. При содержании легирующих элементов в количествах больше их предельной растворимости - и  -фазах в структуре латуней появляются новые фазы. Железо и свинец практически нерастворимы в меди, так что прямые линии на рис.2 для этих элементов соответствуют границе раздела фазовых областей (+Fe)/(++Fe) и (+Pb)/(++Pb).

Введение в латунь Al, Mn, Sn, Si, Pb, Fe, как установил Гийе, равноценно повышению содержания в них цинка.  Им же определены коэффициенты для вычисления в специальной латуни "кажущегося" содержания цинка, при котором структура литых сложных сплавов идентична структуре литых сплавов двойной системы Cu-Zn. Коэффициенты Гийе отражают, какому содержанию цинка соответствует введение в медь 1 % легирующего элемента: Si – 1,1; Al – 5; Sn – 2; Pb – 1; Fe – 0,9; Mn – 0,5.

Только один элемент - никель - увеличивает растворимость цинка в меди (коэффициент Гийе для Ni = -1,3). При введении никеля в (+)-латуни количество -фазы уменьшается и при достаточном его содержании исчезает совсем; сплав становится -латунью.

Кажущееся содержание цинка в многокомпонентной латуни определяется по формуле:

Zn = {[A + (CiK)] / [A + B + (CiK)]} 100, % ;

где А – действительное содержание цинка в сплаве. %; В –содержание меди, %; Ci – количество добавляемого к двойной латуни элемента, %; К – коэффициент эквивалентности Гийе. Например, многокомпонентная латунь ЛАН 59-3-2 содержит 59 %Cu, 3 %Al, 2 %Al, остальное (36 %) Zn. Для определения ее фазового состава необходимо определить кажущееся содержание цинка:

Zn = {[36 + (35 - 21,3)] / [59 + 36 + (35 - 21,3)] 100 = 45 %.

Следовательно, по диаграмме состояния Cu-Zn ЛАН 59-3-2 должна быть двухфазной с преобладанием -фазы. Под микроскопом в литой латуни темные зерна -фазы будут по границам окаймлены светлыми кристаллами -фазы, выделившейся из -фазы при охлаждении закристаллизованного слитка.Al и Ni растворяются в - и -фазах, образуя с ними твердые растворы, а кроме того, создают самостоятельную структурную составляющую – алюминиево-никелевый интерметаллид, его включения серого цвета будут видны на нетравленном шлифе.

Все простые латуни, кроме Л59, имеют структуру -фазы и обладают высокими технологическими свойствами, что позволяет получать из них разнообразные изделия, требующие больших степеней деформации при их изготовлении (гильзы, патроны, радиаторные трубы, проволока, ленты). Латунь Л59 с (+)-структурой менее технологична.

Комплексное легирование специальных латуней позволяет получить более высокие по сравнению с простыми латунями механические свойства, лучшую коррозионную и кавитационную стойкость. Вместе с тем многокомпонентные латуни имеют достаточно хорошую обрабатываемость давлением при высоких температурах и несколько меньшую при низких.

Специальные латуни, которые, помимо цинка, содержат еще один или несколько легирующих элементов, называют по основному дополнительному легирующему элементу: алюминиевые, кремнистые, марганцевые, никелевые, оловянные, свинцовые. Специальные латуни отличаются от простых специфическими свойствами.

Прочностные свойства латуней можно существенно повысить нагартовкой. Латуни, особенно специальные, нагартовываются более интенсивно, чем медь. При степени деформации 50 % временное сопротивление латуней увеличивается на 250...300 МПа. Вместе с тем в результате наклепа в большинстве простых и специальных латуней развивается самопроизвольное растрескивание.

Основной вид термической обработки латуней - отжиг, который проводят для смягчения материала перед дальнейшей обработкой давлением, получения в готовых полуфабрикатах нужных свойств, а также для устранению склонности к сезонному растрескиванию. Температура рекристаллизации латуней выше, чем у меди, поскольку все легирующие элементы ее повышают. В промышленных условиях отжиг латуней проводят при 600...700 С.

Литейные латуни

Литейные латуни широко применяют в современной технике. Латуни обладают небольшой склонностью к газонасыщению благодаря самозащитному действию паров цинка с достаточно высокой упругостью. Это обеспечивает получение плотного литья.

Латуни мало склонны к ликвационным явлениям, так как ликвидус и солидус очень близки. Из-за малого интервала кристаллизации латуни обладают хорошей жидкотекучестью и небольшой усадочной рассеянной пористостью.

Специальные латуни отличаются высокими механическими свойствами. Их поверхность после обработки резанием, шлифовки и полировки приобретает красивый цвет и блеск, на нее легко наносятся защитные и декоративные покрытия. Многие литейные латуни обладают высокими антифрикционными свойствами.

Согласно ГОСТ 17711-93 "Сплавы медно-цинковые (латуни) литейные. Марки" наименование сплава определяется набором основных легирующих элементов (кроме цинка). Маркировка сплавов начинается с буквы Л - латунь, за которой следуют  буквы, обозначающие основные  элементы сплава (Ц - цинк, А - алюминий, К - кремний, С - свинец, Мц - марганец, Ж - железо), и цифры, соответствующие средней массовой доле этих элементов (%). Например: латунь свинцовая ЛЦ40С; латунь марганцово-железная ЛЦ40Мц3Ж; латунь алюминиево-железо-марганцовая ЛЦ23А6Ж3Мц2 и т.д. В литейных латунях допускается более высокое содержание примесей.

3. Порядок выполнения и оформления работы

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

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

         3. Получить  комплект  микрошлифов, в который входят образцы  латуней (в различных состояниях).

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.     

          5. Определить   по микроструктуре    принадлежность сплавов к тому или иному классу по структуре и способности к упрочнению  обработкой давлением в холодном или горячем состоянии.

6. Проанализировать  изменение  структуры  и  свойств латуней с изменением  качественного и количественного содержания легирующих элементов и условий охлаждения.

4. Контрольные вопросы

1. Назовите основные физические, механические, технологические, эксплуатационные свойства меди.

2. В каких отраслях промышленности особенно перспективно применение меди?

3. Какие элементы являются постоянными примесями меди и как они  влияют на ее свойства?

4. На какие группы по технологическим свойствам подразделяются сплавы "Cu - легирующий элемент" и как они называются?

5. Какие сплавы называются латунями?

6. Какие элементы наиболее широко применяются в качестве легирующих в латунях?

7. Каким образом можно повысить уровень механических и физико-химических свойств латуней? Приведите пример.

8. Как классифицируются латуни по  способу деформирования?

9. Латунные изделия из тонкого листа марки Л62 склонны к коррозионному растрескиванию. Как можно избежать или устранить это явление? Укажите химический состав и структуру этой латуни, ее назначение.

10. Какой  из  сплавов  Л90 или БРО6 подвергается большему эффекту ликвации? Укажите химический состав, структуру и назначение этих сплавов.

11. Как маркируются латуни?

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 15527-70 "Сплавы медно-цинковые (латуни), обрабатываемые давлением. Марки".

6. ГОСТ 17711-93 "Сплавы медно-цинковые (латуни) литейные. Марки".

Рассмотрено на заседании кафедры

протокол №___ от "___" ______2001 г.

Зав.кафедрой___________А.Е.Гвоздев


Рисунки к лабораторной работе № 5

Рис.1. Диаграмма состояния системы Cu-Zn

Рис.2. Изотермы растворимости легирующих элементов в -латуни при 400 С


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81091. Разработки и построение моделей социальных процессов для определения сущности, областей применения и наиболее эффективных методов моделирования 23.61 KB
  Актуальность темы состоит в том что в настоящее время нельзя назвать область человеческой деятельности в которой в той или иной степени не использовались бы методы моделирования. Остановимся на философских аспектах моделирования а точнее общей теории моделирования. Методологическая основа моделирования.
81092. Манипуляции в деловом общении и способы их нейтрализации 30.02 KB
  Очень важны психологические аспекты делового общения. Вопрос, с которым постоянно сталкиваются деловые люди, как построить беседу, переговоры. Важно понимать общие закономерности делового общения, что позволит анализировать ситуацию, учитывать интересы партнера, говорить на общем языке.
81093. Трансакционные издержки и их виды 30.14 KB
  Трансакционные издержки центральная объясняющая категория всего неоинституционального анализа. Ортодоксальная неоклассическая теория рассматривала рынок как совершенный механизм где нет необходимости учитывать издержки по обслуживанию сделок.
81094. England. Education and Architecture 129.3 KB
  England is a country that is part of the United Kingdom. It shares land borders with Scotland to the north and Wales to the west. The Irish Sea lies north west of England, whilst the Celtic Sea lies to the southwest. The North Sea to the east and the English Channel to the south separate England from continental Europe.
81095. Системный анализ безопасности 31.01 KB
  Безопасность жизнедеятельности как сравнительно новая область науки, которая образовалась на стыке естественных, гуманитарных и технических наук, использует методы этих наук, вместе с тем разрабатывает свои собственные методы. Комплексный характер БЖД требует использования комплекса методов других наук.
81096. Детская безопасность в Интернете 798.15 KB
  Основная нагрузка ложится на информативную роль Интернета, благодаря которому люди остаются в курсе последних событий в мире, извлекают пользу из множества сайтов, будь то электронная библиотека или огромный новостной портал. Вторая ведущая роль всемирной паутины заключается, конечно же...
81097. Основные транспортные системы в международных перевозках 101.23 KB
  Транспортные системы по своему техническому уровню масштабам организационным формам и качеству транспортного освоения международных пассажирских и грузовых потоков адаптируются к новым требованиям клиентуры.
81098. Концептуальні засади, принципи та механізм функціонування міжнародного бізнесу 38.98 KB
  Діяльність цих суб’єктів націлена на створення матеріальних благ і послуг та їх посування до споживача. Аби це здійснити вкладаються необхідні кошти, а результатом є гроші. Вміння робити гроші із грошей через продуктивну діяльність в широкому загалі є бізнес.
81099. Правові та економічні передумови розвитку іпотечного кредитування в Україні 94.51 KB
  Для України це питання особливо актуальне, оскільки основні засоби виробництва найближчим часом не матимуть попиту через свою непридатність. Застосування іпотеки вимагає глибокого вивчення законодавчих положень, що постійно змінюються.