Материаловедение: конспект лекций

Материаловедение: конспект лекций.

Медь относится к числу металлов, известных с глубокой древности. Раннему знакомству человека с медью способствовало то, что она встречается в природе в свободном состоянии в виде самородков, которые иногда достигают значительных размеров. В настоящее время медь широко используется в электромашиностроении, при строительстве линий электропередач, для изготовления оборудования телеграфной и телефонной связи, радио—и телевизионной аппаратуры. Из меди изготовляют провода, кабели, шины и другие токопроводящие изделия. Медь обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью, прочностью вязкостью и коррозионной стойкостью. Физические свойства ее обусловлены структурой. Она имеет кубическую гра—нецентрированную пространственную решетку. Ее температура плавления – +1083 °С, кипения – +2360 °С. Средний предел прочности зависит от вида обработки и составляет от 220 до 420 МПа (22–45 кгс/мм 2 ), относительное удлинение – 4—60 %, твердость – 35—130 НВ, плотность – 8,94 г/см 3 . Обладая замечательными свойствами, медь в то же время как конструкционный материал не удовлетворяет требованиям машиностроения, поэтому ее легируют, т. е. вводят в сплавы такие металлы, как цинк, олово, алюминий, никель и другие, за счет чего улучшаются ее механические и технологические свойства. В чистом виде медь применяется ограниченно, более широко – ее сплавы. По химическому составу медные сплавы подразделяют на латуни, бронзы и медноникелевые, по технологическому назначению – на деформируемые, используемые для производства полуфабрикатов (проволоки, листа, полос, профиля), и литейные, применяемые для литья деталей.

Латуни – сплавы меди с цинком и другими компонентами. Латуни, содержащие, кроме цинка, другие легирующие элементы, называются сложными, или специальными, и именуются по вводимым, кроме цинка, легирующим компонентам. Например: томпак Л90 – это латунь, содержащая 90 % меди, остальное – цинк; латунь алюминиевая ЛА77–2 – 77 % меди, 2 % алюминия, остальное – цинк и т. д. По сравнению с медью латуни обладают большой прочностью, коррозионной стойкостью и упругостью. Они обрабатываются литьем, давлением и резанием. Из них изготовляют полуфабрикаты (листы, ленты, полосы, трубы конденсаторов и теплообменников, проволоку, штамповки, запорную арматуру – краны, вентили, медали и значки, художественные изделия, музыкальные инструменты, сильфоны, подшипники).

Бронзы – сплавы на основе меди, в которых в качестве добавок используются олово, алюминий, бериллий, кремний, свинец, хром и другие элементы. Бронзы подразделяются на безоловянные (БрА9Мц2Л и др.), оловянные (БрОЗц12С5 и др.), алюминиевые (БрА5, БрА7 и др.), кремниевые (БрКН1–3, БрКМцЗ–1), марганцевые (БрМц5), бериллиевые бронзы (БрБ2, БрБНТ1,7 и др.). Бронзы используются для производства запорной арматуры (краны, вентили), различных деталей, работающих в воде, масле, паре, слабоагрессивных средах, морской воде.

МЕДЬ И МЕДНЫЕ СПЛАВЫ

Получение меди и еесплавов. В настоящее время медь получают из сульфидных руд, содержащих медный колчедан (CuFeS2). Обогащенный кон­центрат медных руд (содержащий 11-35% Сu), сначала обжигают для снижения содержания серы, а затем плавят на медный штейн. Цель плавки на штейн — отделение сернистых соединений меди и железа от рудных примесей. Штейны содержат до 16-60% Сu. Медные штейны переплав­ляют в медеплавильном конвертере с продувкой воздухом и получают черновую медь, содержащую 1 -2% примесей железа, цинка, никеля мы­шьяка и др. Черновую медь рафинируют для удаления примесей. Содер­жание меди после рафинирования возрастает до 99,5-99,99% (медь первичная – технически чистая). Чистая медь имеет 11 марок (МООб, МОб, М1б, М1у, М1, М1р, М1ф, М2р, МЗр, М2 и МЗ). Суммарное количество примесей в лучшей марке МООб — 0,01%, а в марке МЗ — 0,5%

Механические свойства чистой отожженной меди: σв=220-240 МПа НВ 40-50,δ=45-50%. Чистую медь применяют для электротехнических целей и поставляют в виде полуфабрикатов — проволоки, прутков лент листов, полос и труб. Из-за малой механической прочности чистую медь не используют как конструкционный материал, а применяют ее сплавы с цинком, оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом Леги­рование меди обеспечивает повышение ее механических, технологичес­ких и эксплуатационных свойств. Различают три группы медных спла­вов: латуни, бронзы, сплавы меди с никелем.

Латуни. Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк. При введении других элементов (кроме цинка) латуни называют специальными по наименованию элементов, например железофосфорномарганцевая латунь и т.п.

В сравнении с медью латуни обладают большей прочностью коррози­онной стойкостью и лучшей обрабатываемостью (резанием литьем давлением). Латуни содержат до 40-45% цинка. При большем содержании цинка снижается прочность латуни и увеличивается ее хрупкость

Содержание легирующих элементов в специальных латунях не превы­шает 7-9%.

Сплав обозначают начальной буквой Л — латунь. Затем следуют пер­вые буквы основных элементов образующих сплавов: Ц-цинк 0-олово, Мц — марганец, Ж — железо, Ф — фосфор, Б — бериллий и т.д. Цифры

следующие за буквами, указывают на количество легирующего элемента в процентах. Например, ЛАЖМцбб-6-3-2 алюминиевожелезомарганцовистая латунь, содержащая 66% меди, 6% алюминия, 3% железа, и 2% марганца, остальное — цинк.

По технологическому признаку латуни, как и все сплавы цветных ме­таллов, подразделяют на литейные и деформируемые. Литейные латуни предназначены для изготовления фасонных отливок, их поставляют в виде чушек (таб. 11).

Деформируемые латуни выпускают в виде простых латуней, например Л90 (томпак), Л80 (полутомпак), и сложных латуней, например ЛАЖ60-1-1,

Табл. 11.

Механические свойства латуней

Примечание. Механические свойства литейных латуней даны применительно к литью в кокиль

ЛСбЗ-З и др. Латуни поставляют в виде полуфабрикатов — проволоки, прут­ков, лент, полос, листов, труб и других видов прокатных и прессованных из­делий. Латуни широко применяют в общем и химическом машиностроении.

Бронзы. Сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом, бериллием называют бронзами. В зависимости от введенного элемента бронзы называют оловянными, алюминиевыми и т.д.

Бронзы обладают высокой стойкостью против коррозии, хорошими литейными и высокими антифрикционными свойствами и обрабатыва­емостью резанием. Для повышения механических характеристик и при­дания особых свойств бронзы легируют железом, никелем, титаном, цин­ком, фосфором. Введение марганца способствует повышению коррози­онной стойкости, никеля — пластичности, железа — прочности, цинка -улучшению литейных свойств, свинца — улучшению обрабатываемости (табл. 12).

Табл. 12.

Механические свойства бронз

Примечание. Механические свойства литейных бронз даны применительно к литью в кокиль

Бронзы маркируют буквами Бр, правее ставят элементы, входящие в бронзу: О — олово, Ц — цинк, С — свинец, А — алюминий, Ж — железо, Мц — марганец и др. Затем ставят цифры, обозначающие среднее содер­жание элементов в процентах (цифру, обозначающую содержание меди в бронзе, не ставят). Например, марка БрОЦС5-5-5 означает, что бронза содержит олова, свинца и цинка по 5%, остальное — медь (85%).

Оловянные бронзы содержат в среднем 4—6% олова, имеют высокие механические (δв= 150-350 МПа; δ=3-5%; твердость НВ 60-90), анти­фрикционные и антикоррозионные свойства; хорошо отливаются и об­рабатываются резанием. Для улучшения качества в оловянные бронзы вводят свинец, повышающий антифрикционные свойства и обрабаты­ваемость; цинк, улучшающий литейные, механические и антифрикци­онные свойства.

Различают деформируемые и литейные оловянные бронзы. Деформи­руемые бронзы поставляются в виде полуфабрикатов (прутки, проволоки, ленты, полосы) в нагартованном (твердом) и отожженном (мягком) состояниях. Эти бронзы применяют для вкладышей подшипников, вту­лок деталей приборов и т.д. Литейные оловянные бронзы содержат боль­шое количество олова (до 15%), цинка (4-1.0%), свинца (3-6%), фосфора (0,4—1,0%). Литейные бронзы применяют для получения различных фа­сонных отливок. Высокая стоимость и дефицитность олова – основной недостаток оловянных бронз.

Безоловянные бронзы содержат алюминий, железо, марганец, бериллий, кремний, свинец или различное сочетание этих элементов.

Алюминиевые бронзы содержат 4— 11% алюминия. Алюминиевые бронзы имеют высокую коррозионную стойкость, хорошие механические и технологические свойства. Эти бронзы хорошо обрабатываются давле­нием в горячем состоянии, а при содержании алюминия до 8% — и в холодном состоянии. Бронзы, содержащие 9-11% алюминия, а также железо, никель, марганец, упрочняются термической обработкой (за­калка и отпуск). Наиболее поддающаяся закалке БрАЖН 10-4-4 после закалки (980°С) и отпуска (400°С) повышает твердость с НВ 170-200 до НВ 400.

Марганцовистые бронзы (БрМ Ц5) имеют сравнительно невысокие механические свойства, но обладают высокой пластичностью и хорошей сопротивляемостью коррозии, а также сохраняют механические свойства при повышенных температурах.

Свинцовистые бронзы (БрСЗО) отличаются высокими антикоррозион­ными свойствами и теплопроводностью (в четыре раза большей, чем у оловянных бронз); применяют для высоконагруженных подшипников с большими удельными давлениями.

Бериллиевые бронзы (БрБ2) после термообработки имеют высокие меха­нические свойства, например у БрБ2 σв= 1250 МПа, НВ350, высокий пре­дел упругости, хорошую коррозионную стойкость, теплостойкость. Из бериллиевых бронз изготовляют детали особо ответственного назначения.

Кремнистые бронзы (БрКН1-3, БрКМцЗ-1) применяют как замените­ли дорогостоящих бериллиевых бронз.

Сплавы меди с никелем. Медноникелевые сплавы — это сплавы на ос­нове меди, в которых основным легирующим компонентом является никель. По назначению их подразделяют на конструкционные и элект­ротехнические сплавы.

Куниалu (медь -никель -алюминий) содержат 6—13% никеля, 1,5-3%

алюминия, остальное — медь. Куниали подвергают термической обработ­ке (закалка — старение). Куниали служат для изготовления деталей повы­шенной прочности, пружин и ряда электромеханических изделий.

Нейзильберы (медь — никель — цинк) содержат 15% никеля, 20% цинка, остальное — медь. Нейзильберы имеют приятный белый цвет, близкий кцвету серебра. Они хорошо сопротивляются атмосферной коррозии; при­меняют в приборостроении и производстве часов.

Мельхиоры (медь — никель и небольшие добавки железа и марганца до 1 %) обладают высокой коррозионной стойкостью, в частности в морской воде. Их применяют для изготовления теплообменных аппаратов, штам­пованных и чеканных изделий.

Капель (медь — никель 43% — марганец 0,5%) — специальный сплав с высоким удельным электросопротивлением, используемый в электротех­нике для изготовления электронагревательных элементов.

Константан (медь — никель 40% — марганец 1,5%) имеет такое же на­значение, как и манганин.

БРОНЗА

Бронзой называется сплав меди с алюминием, кремнием, оловом, бериллием и другими элементами, кроме цинка. Бронзы бывают алюминиевыми, кремниевыми, оловянными, бериллиевыми и т.д. – в зависимости от легирующего элемента.

Маркировка бронзы представляет собой определенную последовательность, начинающуюся с буквосочетания «Бр», после которого указываются легирующие элементы. Легирующие элементы перечисляются, начиная с элемента, который находится в максимальном процентном содержании относительно остальных.

Все бронзы подразделяются на оловянные и безоловянные

Оловянные бронзы

Оловянные бронзы применяются в химической промышленности и в качестве антифрикционных материалов благодаря высоким антикоррозийным и антифрикционным свойствам.

Легирующие элементы оловянных бронз – фосфор, цинк, никель. Цинк, входящий в состав оловянных бронз в количестве до 10%, служит для того, чтобы стоимость бронз стала меньше. Фосфор и свинец способствуют повышению антифрикционных свойств бронзы и улучшают их обрабатываемость резанием.

Литейные оловянные бронзы применяются:

· Деформированные бронзы — БрОФ6,5-0,4; БрОЦ4-3; БрОЦС4-4-2,5 – используются в качестве пружин, антифрикционных деталей, мембран

· Литейные бронзы — БрО3Ц12С5, БрО3Ц12С5, БрО4Ц4С17 – используются в антифрикционных деталях, арматуре общего назначения

Безоловянные бронзы – это двойные или многокомпонентные бронзы без олова, в состав которых входя такие элементы как марганец, алюминий, свинец, железо, никель, кремний, бериллий.

Алюминиевые бронзы обладают высокими технологическими и механическими свойствами, коррозийной стойкостью в условиях тропического климата и в морской воде. Для глубокой штамповки на практике используют однофазные бронзы, двухфазные бронзы применяются в виде фасонного литья и подвергают горячей деформации.

Алюминиевые бронзы, обладая более низкими литейными свойствами в сравнении с оловянными бронзами, способствуют более высокой плотности отливок.

Кремнистые бронзы. Кремний, входящий в состав бронзы (до 3,5%), повышает её пластичность и прочность. В сочетании с марганцем и никелем коррозийные и механические свойства кремнистых бронз повышаются. Они широко применяются при работе в агрессивной среде, для изготовления пружинящих деталей, которые должны работать при температуре до 2500°C.

Бериллиевыне бронзы обладают высокой прочностью благодаря термической обработке. Для них характерны высокие характеристики упругости, предела текучести и временного сопротивления, устойчивы к коррозии. Применяются в электронной технике, для пружинящих контактов, мембран, деталей, которые работают на износ.

Свинцовые бронзы представляют собой сплавы, состоящие из включения свинца, который практически не растворяется в меди, и кристаллов меди. Высокие антифрикционные свойства свинцовых бронз позволяют применять их для изготовления деталей, которые работают в условиях больших скоростей и повышенного давления (вкладыши подшипников скольжения). За счёт высокой теплопроводности, свинцовые бронзы БрС30 способствуют отведению теплоты, возникающей при трении.

Бронзы, легированные оловом и никелем, отличаются повышенными коррозийными и механическими свойствами.

Безоловянные бронзы применяются:

· Алюминиевые бронзы — БрАЖ9-4, БрАЖН10-4-4, БрА9Ж3Л, БрА10Ж3Мц2 – применяются для обработки давлением, в качестве деталей химической аппаратуры, арматуры и антифрикционных деталей

· Кремниевые бронзы — БрКМц3-1- применяются в качестве проволоки для пружин, лент, арматуры

· Бериллиевая бронза — БрБ2 – используется как прутки, проволоки для пружин, ленты, полосы

· Свинцовая бронза- БрС30- применяется в антифрикционных деталях

ЛАТУНЬ

Сплав меди с цинком, процентное содержание цинка в котором составляет от 5 до 45%, называется латунью. Латунь, в состав которой входит 2-20% цинка, называется томпак или красная латунь. Если содержание цинка равно 20-36%, то такая латунь называется жёлтой. Латуни, с более чем 45% цинка в своём составе, применяются крайне редко.

· Простые (двухкомпонентные) – сплавы которые состоят из цинка и меди с незначительными примесями других элементов;

· Специальные (многокомпонентные) латуни в своём составе помимо меди и цинка включают ряд других легирующих элементов.

Двухкомпонентные латуни обозначаются заглавной буквой «Л», за которой следует двузначная цифра, определяющая среднее значение процентного содержания меди в сплаве (Л80-латунь, в состав которой входит 80% меди и 20% цинка).

Цветные металлы: сплавы, свойства, применение

Цветные металлы и их сплавы применяют в качестве конструкционных материалов, от которых требуются ценные эксплуатационные свойства – коррозионная стойкость, низкий коэффициент трения, жаропрочность и жаростойкость.

К этой группе не принадлежат железо и сплавы на его основе – стали и чугуны, которые называют черными металлами. К цветным металлам, широко востребованным в промышленности, относятся медь, алюминий и титан. В чистом виде они используются редко, в основном их применяют в виде сплавов.

Медь – обозначение, виды по чистоте, характеристики

Медь – цветной металл, имеет поверхность красноватого оттенка, излом – розового. Символ – Cu. В природе встречается в составе сернистых соединений, оксидов, реже – в чистом виде. Физические характеристики чистого Cu:

• высокие – пластичность, электропроводность, теплопроводность;
• хорошая устойчивость к коррозионному разрушению;
• удельный вес – 8940 кг/м3;
• температура плавления – +1083 °C.

Присутствие примесей может значительно снижать показатели электро- и теплопроводности.

Кратко перечислим важные технологические характеристики:

• хорошая обрабатываемость давлением, что позволяет получать различные типы медного проката;
• затрудненная обрабатываемость резанием из-за повышенной пластичности;
• низкие литейные качества из-за протекания значительных усадочных процессов;
• возможность соединять отдельные медные элементы сваркой или пайкой.

В маркировке медь обозначается буквой М, после которой стоят цифры, характеризующие чистоту металла. Самая чистая медь содержит 99,99 % Cu. После цифр могут стоять буквы: к – катодная, р – раскисленная, б – бескислородная. Марки и состав меди регламентирует ГОСТ 859-2014.

Основная область применения меди различных степеней чистоты – электротехника, изготовление электрических проводов и кабелей.

Сплавы на основе меди – виды, краткие сведения

Основные сплавы на основе меди, широко используемые в различных отраслях промышленности, – латуни и бронзы.

Латуни – виды, характеристики

К латуням относятся медные сплавы с цинком, процентное содержание которого составляет 5-45 %. При содержании Zn 5-10 % сплавы сохраняют красноватый цвет. Их часто используют в ювелирном деле для имитации золота. Эти разновидности латуни иначе называются: томпак, симилор, хризохалк, хризорин, ореид. При содержании цинка более 20 % латуни имеют желтый цвет.

По количеству компонентов латунные сплавы разделяют на:

• Двухкомпонентные – содержат медь, цинк и примеси в незначительных количествах. Обозначаются буквой Л и цифровой группой, характеризующей содержание Cu в процентах. Такие сплавы, благодаря хорошей обрабатываемости давлением, используют при производстве прокаткой или прессованием различных полуфабрикатов: листового латунного металлопроката, труб, прутков, профилей, проволоки. Химический состав деформируемых латуней (предназначенных для обработки давлением) приведен в таблицах ГОСТа 15527-2004.
• Многокомпонентые – в качестве дополнительных элементов используются алюминий,марганец, никель, свинец, олово. В маркировке после буквы Л указывается наименование дополнительного компонента и цифровые группы, характеризующие количество в процентах меди и легирующих компонентов. Многокомпонентные латуни часто относятся к категории литейных, используемых при производстве отливок. Их марки определяет ГОСТ 17711-93.

Бронзы – определение, разновидности, характеристики

Бронзами называют сплавы на основе меди, в которых цинк не относится к основным компонентам. К этой категории также не принадлежат медно-никелевые сплавы (мельхиоры). В маркировке ставят буквы Бр, после которых указывают элементы, присутствующие в составе, и их содержание в процентах. Легирующие компоненты в бронзах: олово, бериллий, свинец, кремний, алюминий.

Большинство бронз отличается хорошими литейными качествами, что позволяет применять их при производстве фасонных отливок. Часто эти сплавы востребованы при производстве деталей, к которым предъявляются высокие требования по коррозионной стойкости и антифрикционным характеристикам. Это зубчатые и червячные колеса, седла клапанов, втулки.

Алюминий – обозначение, виды по чистоте, характеристики

Алюминий – пластичный металл серебристо-белого цвета. В чистом виде в природе не встречается. Его получают по технологии электролиза из алюминиевой руды – бокситов. Он легкий, инертный по отношению к окружающей среде, обладает хорошей электропроводностью, которая составляет 60 % от аналогичного показателя меди. На поверхности этого металла появляется оксидная пленка, которая предотвращает коррозионное разрушение полуфабрикатов и изделий. Оксид алюминия безвреден. Этот металл легко подвергается деформации, хорошо сваривается, но из-за высокой пластичности плохо подвергается обработке режущим инструментом. Имеет высокий коэффициент линейной усадки. Температура плавления: +660 °C.

Первичный алюминий обозначается буквой А и числом, которое характеризует степень чистоты: особую, высокую и техническую. В химическом составе металла самой высокой чистоты содержится 99,9996 % Al. Требования к этому металлу, выпускаемому в виде чушек, слитков, ленты, катанки, определяет ГОСТ 11069-2019. Требования к материалам, предназначенным для изготовления полуфабрикатов способами горячей и холодной деформации – листов, плит, полос, профилей, регламентирует ГОСТ 4784-2019.

Алюминий чаще всего используют при производстве электрических проводов, кабелей, испарителей.

Сплавы на основе алюминия – виды, их характеристики

На базе этого металла производят две основные группы сплавов – деформируемые и упрочняемые.

Деформируемые

Деформируемыми называют сплавы, используемые при производстве алюминиевого металлопроката и прессованных металлоизделий. Деформируемые материалы делят на упрочняемые и неупрочняемые. Упрочняемые разновидности разделяют на:

• Дюралюмины, содержащие помимо Al, медь и магний. Обозначаются буквой Д и числом, характеризующим состав.
• Высокопрочные – в их составе имеются медь, магний и цинк. Обозначаются буквой В и числом.

Характерная черта этих материалов – сочетание хороших механических характеристик и небольшой массы. Она делает их незаменимыми при производстве деталей в авиа- и машиностроении. Из высокопрочных разновидностей изготавливают изделия сложной формы, вертолетные лопасти, детали, запланированные для восприятия существенных нагрузок.

Неупрочняемые разновидности содержат в составе, помимо AL, марганец или магний. Выпускаются чаще всего в виде листового проката. Его выбирают для деталей сложной формы, которые в процессе изготовления подвергаются прокатке, вытяжке, штамповке при комнатных и повышенных температурах.

Литейные

Свойства литейных марок регламентирует ГОСТ 1583-93. Широкой популярностью пользуются литейные материалы на основе алюминия и кремния, называемые силуминами. Они маркируются буквами АК, после которых указывается номер марки. Силумины, сочетающие небольшую плотность с хорошими литейными и механическими характеристиками, часто востребованы при изготовлении бытовых приборов, авто- и мотодеталей, функционально-декоративных предметов интерьера.

Титан и сплавы на его основе

Из технически чистого титана и сплавов на его основе производят цветной металлопрокат и отливки с ценными техническими свойствами:

• сочетание относительно невысокой удельной массы с прекрасными прочностными качествами;
• устойчивость к различным видам коррозии, химическая инертность по отношению ко многим агрессивным средам;
• способность к обработке давлением;
• возможность эксплуатации титановых деталей и конструкций при повышенных температурах.

Основной недостаток титана и его производных – высокая стоимость, которая ограничивает их применение в бытовой технике. Основные области их использования – авиатехника, машино-, судостроение, при изготовлении газовых баллонов, эксплуатируемых под высоким давлением, в космической технике.