133163z-МУ. Методическое пособие по дисциплине Материаловедение для студентов заочного отделения специальности
 Скачать 7.23 Mb.
|
|
Раздел 6 Цветные металлы и сплавы Цель работы: Ознакомление с основными сплавами на основе меди, алюминия, магния, титана, олова, свинца и приобретение навыков в выборе сплавов в зависимости от условий эксплуатации в технике характерных деталей и конструкций. Основные сведения 6.1 Медные сплавы Свойства меди Медь – металл красновато-розовый, кристаллическая ГЦК решётка, полиморфных превращений нет. Температура плавления меди – 1083оС, плотность – 8,9 г/см3. Медь обладает хорошей технологичностью. Она прокатывается в тонкие листы, ленту, тонкую проволоку; легко полируется, хорошо паяется и сваривается. Медь характеризуется высокими теплопроводностью и электропроводностью, пластичностью и коррозийной стойкостью. Общая характеристика и классификация медных сплавов Сохраняя положительные качества меди, медные сплавы обладают хорошими механическими, технологическими и антифрикционными свойствами. Они обладают высокой коррозийной стойкостью во многих органических кислотах. По химическому составу медные сплавы подразделяют на две основные группы: латуни и бронзы. Латуни Латунями называются сплавы меди с цинком. Они бывают двойными и многокомпонентными ( легированные) По технологическим свойствам латуни подразделяются на деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные. Двойные деформируемые латуни маркируются буквой Л (латунь) и цифрой, показывающей среднее содержание меди в процентах. Содержание цинка в марке латуни не указывается и определяется по разности компонентов. Например, в латуни марки Л68 содержится 68% меди 32% цинка. В марках легированных латуней, кроме цифры, показывающей содержание меди, даются буквы и цифры, обозначающие название и количество в процентах легирующих элементов. Алюминий в медных сплавах обозначают буквой А, никель – Н, олово – О, свинец – С, фосфор – Ф, железо – Ж, кремний – К, марганец – Мц, берилий – Б, цинк – Ц. Например, ЛАН59-3-2 содержит 59% меди, 3% алюминия, 2% никеля, остальное цинк. В марках литейных латуней указывается содержание цинка, а количество каждого легирующего элемента ставится непосредственно за буквой, обозначающей его название. Например, ЛЦ40Мц3А содержит 40% цинка, 3% марганца, 1% алюминия, остальное – медь. Структура латуней может быть однофазной и двухфазной. Однофазные латуни содержат до 39% цинка и имеют структуру α твёрдого раствора цинка в меди. При большем содержании цинка образуется хрупкое соединение CuZn (β-фаза). Латуни находятся в двухфазном состоянии α+β при концентрации цинка от 39 до 45%. В связи с высокой пластичностью однофазные латуни хорошо поддаются холодной пластической деформации, которая значительно повышает их твёрдость и прочность. α-латуни, в основном, выпускают в виде холоднокатаных полуфабрикатов: полос, лент, труб, проволоки, листов, из которых изготавливают детали методом холодной вытяжки (радиаторные трубки, снарядные гильзы, трубопроводы), а также деталей, требующих по условиям эксплуатации низкую твёрдость (шайбы, втулки, уплотнительные кольца и др.) Пластичность двухфазных латуней вследствие наличия β- фазы меньше, а твёрдость и износостойкость – выше. Эти латуни выпускают в виде горячекатаного полуфабриката: листов, прутков, труб, штамповок. Из них изготавливают втулки, гайки, тройники, штуцеры, токопроводящие детали электрооборудования и др. Сложные латуни вследствие дополнительного легирования обладают специальными свойствами. Так, латуни, содержащие олово, имеют высокую коррозийную стойкость в морской воде (морские латуни); содержащие свинец – хорошо обрабатываются резанием на быстроходных станках-автоматах (автоматные латуни); содержащие никель и алюминий – более высокую прочность; содержащие марганец и кремний – более высокие литейные свойства. Эти латуни применяют для изготовления арматуры, деталей приборов в судо- и общем машиностроении, фасонные отливки. Бронзы Бронзами называются сплавы меди со всеми элементами, кроме цинка (который может присутствовать в качестве легирующего элемента). Название бронзам дают по основным элементам. Так, их подразделяют на оловянистые, алюминиевые, бериллиевые, кремнистые и др. Деформируемые бронзы маркируют буквами Бр (бронза), за которыми следуют буквы, а затем цифры, обозначающие название и содержание в процентах легирующих элементов. Например, Бр ОЦС 4-4-2,5 содержит 4% олова, 4% цинка, 2,5% свинца, остальное – медь. В марках литейных бронз содержание каждого легирующего элемента ставится сразу после буквы, обозначающей его название. Например, БрО6Ц6С3 содержит 6% олова, 6% цинка, 3% свинца, остальное – медь. Оловянистые бронзы превосходят латуни по прочности, сопротивляемости коррозии (особенно в морской воде), износостойкости. Важное преимущество оловянистых бронз – высокие литейные свойства (малая усадка). Их применяют для литых деталей сложной формы. Однако для арматуры котлов (и подобных деталей) они используются лишь в случае небольших давлений пара, так как отливки имеют значительную микропористость. Алюминиевые бронзы широко используются в качестве заменителей латуней и оловянистых бронз. У этих бронз свойства (жидкотекучесть) ниже, чем у оловянистых, больше усадка, но они не имеют пористости, что обеспечивает получение более плотных отливок. Бронзы используют для котельной арматуры, работающей при повышенных напряжениях, и для деталей, применяющихся в авиации, судостроении. В виде листов, лент, проволоки их применяют для упругих элементов, в частности, для токоведущих пружин. Все алюминиевые бронзы как и оловянистые, устойчивы против коррозии в морской воде и во влажной тропической атмосфере. Кремнистые бронзы превосходят латуни и алюминиевые бронзы в прочности и стойкости в щелочных средах. Бериллиевые бронзы сочетают высокую прочность, упругость и коррозионную стойкость с повышенной электропроводностью. Применяются для ответственных изделий малого сечения в виде лент, проволоки, пружин, мембран и контактов в электрических машинах, аппаратах, приборах. Широко применяются в самолетостроении, а также машино- и приборостроении, при производстве счетно-решающих устройств и т.д. Свинцовистые бронзы применяются в качестве антифрикционных подшипниковых сплавов. Заменяют оловянистые баббиты 6.2 Алюминиевые сплавы Алюминий – металл серебристо-белого цвета. Он не имеет полиморфных превращений и кристаллизуется в решётке ГЦК. Алюминий имеет сравнительно низкую температуру плавления (658оС), малую плотность (2,7 г/см), обладает хорошей теплопроводностью и электропроводностью, высокой пластичностью и коррозионной стойкостью во влажной атмосфере и органических кислотах. Технический алюминий, выпускаемый в виде деформируемого полуфабриката (листы, профили, прутки и др.), маркируют АД0 и АД1. Ввиду низкой прочности, его применяют для ненагруженных изделий, где требуется лёгкость, свариваемость, пластичность (рамы, двери, трубопроводы, фольга, посуда и т.д.), благодаря высокой теплопроводности он используется для различных теплообменников в промышленных и бытовых холодильниках. Высокая электропроводность способствует его широкому применению для проводов, кабелей, шин, конденсаторов и т.д. Общая характеристика и классификация алюминиевых сплавов Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовления (деформируемые, литейные, спеченные), способности к термической обработке (упрочняемые и не упрочняемые) и свойствам. Деформируемые сплавы Эти сплавы подразделяются на упрочняемые и не упрочняемые термообработкой. К сплавам, не упрочняемым термообработкой, относятся сплавы АМц (1-1,6%Mn) и АМг (среднее содержание магния в процентах указывается после букв Мг), характеризующиеся высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и высокой коррозийной стойкостью. Сплавы применяют для изделий, получаемых глубокой вытяжкой, сваркой, от которых требуется высокая коррозионная стойкость (трубопроводы для бензина и масла, сварные баки, заклёпки, корпусные детали, рамы вагонов, кузова автомобилей и пр.) К сплавам, упрочняемым термообработкой, относятся сплавы нормальной прочности, высокопрочные, жаропрочные и т.д. Упрочняющая термообработка включает закалку с температуры 500оС в воде и естественное или искусственное (при 100-200оС) старение. После закалки образуется структура перенасыщенного α-твёрдого раствора, имеющего высокую пластичность и низкие значения твёрдости и прочности. В процессе старения происходит распад α-твёрдого раствора с выделением из него упрочняющих высокодисперсных фаз (химических соединений типа CuAl, CuMgAl и др.) в результате чего пластичность уменьшается, а твёрдость и прочность возрастает. Основные типы сплавов, упрочняемых термообработкой, следующие: Дуралюмины – сплавы, содержащие до 5% меди и до 1,8% магния. Они представлены марками Д1, Д16, Д18 (где цифры 1, 16, 18 - условные) и характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности (σ – 400 – 530 МПа, δ – 11 – 20%). Дуралюмины широко применяют в авиации. Из Д1, например, изготавливают лопасти воздушных винтов, из Д16 – шпангоуты, тяги управления и т.д. Кроме того, их используют для строительства конструкций, кузовов грузовых автомобилей, обсадных труб и т.д. Ковочные алюминиевые сплавы маркируют буквами АК (А - алюминиевый, К – ковочный). Они обладают хорошей пластичностью и стойки к образованию трещин при горячей пластической деформации.. По химическому составу сплавы относятся к системе Al-Mg-Cu-Si. Ковку и штамповку ведут при температуре 450 – 470оС. Сплав АК6 используют для средненагруженных деталей сложной формы: крыльчатки, фитинги, крепёжные детали. Сплав АК8 – для высоконагруженных деталей несложной формы: лопастей, винтов, вертолётов, подмоторных рам, пояса лонжеронов и т.п. Высокопрочные алюминиевые сплавы маркируют буквой В (В95, В96). Они характеризуются высоким пределом прочности (600 – 700 МПа) и близким к нему по значению пределом текучести. Сплавы принадлежат к системе Al-Zn-Mg-Cu и содержит добавки марганца, хрома или циркония. Их применяют для высоконагруженных деталей конструкций (обшивки, шпангоуты, лонжероны самолётов). Литейные сплавы Эти сплавы, маркируются буквами АЛ, что значит «алюминиевый литейный». Лучшими литейными свойствами обладают сплавы Al-Si (силумины). Высокая жидкотекучесть, малая усадка, трещиноустойчивость, хорошая герметичность силуминов объясняются наличием большого количества эвтектики в структуре. Однако механические свойства двойных силуминов (АЛ, АЛ4, АЛ93) низкие, и они применяются для неответственных изделий. Легированный силумин АЛ32 (Al, Si, Mn) относится к высокопрочным и применяется для литья под давлением нагруженных деталей (блоки цилиндров, головки блоков и другие детали автомобильных двигателей). Сплавы АЛ19 (Сu, Mn, Ti) и АЛ33 (Си, Ni, Тi, Zr, Сe) являются жаропрочными. Их рабочая температура 250 – 300оС. 6.3 Магниевые сплавы Магний – это металл серебристо-белого цвета с температурой плавления 650оС, имеет малый удельный вес – 1,74 г/см3. Кристаллизуется с образованием гексагональной кристаллической решетки. Из-за низких механических свойств как конструкционный материал не применяется. В чистом виде используется в пиротехнике и в металлургии как раскислитель, модификатор, легирующий элемент. Недостаток магния (и его сплавов) – низкая коррозийная стойкость в атмосферных условиях, однако он противостоит маслам, бензину, нефтепродуктам, плавиковой кислоте, галогенам. Сплавы магния Отличаются низкой плотностью, хорошей обрабатываемостью резанием, способностью воспринимать ударные и гасить вибрационные нагрузки. Достоинством магниевых сплавов является высокая удельная прочность. Деформируемые сплавы магния маркируются МА. Это сплавы МА5 (Mg, Mn, Zn, Al), МА11 (Mg, Mn, Nd), МА14 (Mg, Zn, Zr), МА19 (Mg, Zn, Zr, Nd). Из них изготавливают детали грузоподъёмных машин, автомобилей, ткацких станков, детали самолётов и вертолётов, космических аппаратов и др. Литейные сплавы магния маркируются МЛ (МЛ5, МЛ6). Это сплавы системы Mg-Al-Zn. Они широко применяются в самолётостроении (корпуса приборов, насосов, коробок передач, двери кабин и др.); ракетной технике (корпуса ракет, топливные и кислородные баки, стабилизаторы); конструкциях автомобилей, особенно гоночных (корпуса, колёса); в приборостроении (корпуса и детали приборов). Сплавы МЛ11 и МЛ19 являются жаропрочными, их потолочная рабочая температура 250 – 300оС. 6.4 Титан и его сплавы Титан – металл серого цвета с температурой плавления 1665оС и плотностью 4,5 г/см3. Он имеет две полиморфные модификации –α и β. Температура полиморфного α↔β превращения –882оС. Отличительными особенностями титана являются хорошие механические свойства, высокая удельная прочность, коррозийная стойкость, способность сохранять высокую прочность не только при температурах 20-25оС, но и в условиях глубокого холода. Технический титан ВТ1-0 (до 0,3% примесей) хорошо обрабатывается давлением. Из него изготавливают все виды прессованного и катаного полуфабриката: листы, трубы, проволоку, поковки. Он хорошо сваривается аргонно-дуговой и точечной сваркой. Титан плохо обрабатывается резанием, налипает на инструмент, в результате чего тот быстро изнашивается. К недостатку титана относятся также низкие антифрикционные свойства. По сравнению с техническим титаном сплавы титана имеют при достаточно хорошей пластичности, высокой коррозийной стойкости и малой плотности более высокую прочность при 20-25оС и повышенных температурах. По сравнению с алюминиевыми и магниевыми сплавами они обладают более высокой удельной прочностью, жаропрочностью и коррозийной стойкостью в таких агрессивных средах, как влажный хлор, морская вода, горячая азотная, соляная, серная и другие кислоты. Поэтому титановые сплавы получили широкое применение в авиации, ракетной технике, судостроении. Высокопрочные титановые сплавы маркируются ВТ: ВТ6 (6% Al, 45 V), ВТ15 (3%Al, 3%Мо, 11%Cr). Их прочность составляет 600 и 1200 МПа соответственно. Повышенной стойкостью против коррозии обладает сплав АТ3 (3%AL, 1,5%Cr); повышенной жаропрочностью (550-650оС) – сплав ВТ8 (6,5%Al, 3,5%Мо) Подшипниковые сплавы (баббиты) Эти сплавы применяют для заливки вкладышей подшипников скольжения. Их называют также антифрикционными. То есть обладающими низким коэффициентом трения. Основные виды сплавов следующие: Оловянистые баббиты (Б83, Б89). Содержат олово (в процентах указано в марке), 10-12% сурьмы и медь. Применяются для вкладышей подшипников тяжело нагруженных машин (турбины). Оловянисто-свинцовистые баббиты: Б16 (16% олова, 16% сурьмы, 2% меди, остальное – свинец), БН (содержит никель), БТ (содержит теллур). Применяются для машин средней нагруженности, автомобильных, тракторных моторов. Баббиты на свинцовистой основе без олова более дешёвы (с добавками кальция, натрия, алюминия). Маркируются БК и применяются для подшипников городского и железнодорожного транспорта. Заменителями баббитов являются свинцовистая бронза БрС30 – для подшипников ответственного назначения; антифрикционные серые чугуны АСЧ-1, АСЧ-2 и другие. Индивидуальные задания 1 Познакомится с пояснительной частью работы. 2 Ответить на вопросы теста Вариант 1 Какой сплав называется латунью ? Ответы: 1) сплав меди и цинка; 2) сплав меди и олова; 3) сплав меди и свинца. Указать алюминиевые сплавы. Ответы: 1) В95; 2) АТЗ; 3) Д16; 4) АК4; 5) МА8; 6) АЛ10В. Какие сплавы не уступают по прочности конструкционным легированным сталям ? Ответы: 1) алюминиевые; 2) медные; 3) титановые; 4) магниевые. Какие сплавы превосходят по коррозионной стойкости нержавеющие стали ? Ответы: 1) алюминиевые; 2) медные; 3) титановые; 4) магниевые. Какую основу имеет сплав Б89 ? Ответы: 1) медную; 2) бериллиевую; 3) оловянную; 4) свинцовую; 5) кремниевую. Вариант 2 Какое основное свойство присуще сплаву Б89 ? Ответы: 1) высокая коррозийная стойкость; 2) низкий коэффициент трения; 3) легкоплавкость; 4) высокий коэффициент трения; 5) прочность. Содержание, какого элемента указывает двузначная цифра в сплаве Л60 ? Ответы: 1) цинка; 2) олова; 3) меди; 4) свинца. Применение какого сплава для изделий обеспечивает максимальный выигрыш в весе ? Ответы: 1) АМг; 2) АЛ2; 3) АТЗ; 4) МЛ3; 5) БрБ2. К какой системе относятся сплавы, называемые силуминами ? Ответы: 1) Al-Cu; 2) Al-Si; 3) Al-Mn; 4) Al-Mg. Указать алюминиевый сплав, упрочняемый термообработкой. Ответы: 1) Д16; 2) АМц; 3) АЛ2. Вариант 3 Какой из сплавов сохраняет свои рабочие свойства при нагреве до 550 – 600оС ? Ответы: 1) МЛ5; 2) ВТ8; 3) В95; 4) АК4. Какой из сплавов – литейный ? Ответы: 1) БрОЦ4-3; 2) БрО10Ц2. Какой сплав характеризуется наивысшей стойкостью в морской воде ? Ответы: 1) Д1; 2) ЛО59-1; 3) ЛС60-2; 4) МА3. Какие из сплавов относятся к алюминиевым ? Ответы: 1) В96; 2) АТЗ; 3) Д2; 4) АМц; 5) МА8; 6) АК2. Какой сплав характеризуется наивысшей прочностью ? Ответы: 1)Д16; 2) ВТ15; 3) МА8; 4) ЛАН60-1-1. Вариант 4 Что показывает цифра 77 в сплаве ЛА77-2 ? Ответы: 1) содержание алюминия; 2) содержание меди; 3) содержание цинка. Какой сплав следует применять для арматуры, работающей при повышенном давлении пара ? Ответы: 1) БрОФ6-2,5; 2) БрАЖ9-4; 3) БрС30. Какой металл составляет основу сплава Б83 ? Ответы: 1) олово; 2) свинец; 3) цинк; 4) медь. Какой металл обладает наибольшей устойчивостью к плавиковой кислоте ? Ответы: 1) медь; 2) алюминий; 3) магний; 4) титан. Какой сплав обладает наибольшей пластичностью ? Ответы: 1) Л70; 2) Л32. Вариант 5 Какой сплав обладает наибольшей пластичностью? Ответы: 1) Д16; 2) АЛ2; 3) АМц; 4) В95. Какой сплав обеспечивает получение более плотных отливок ? Ответы: 1) БрОФ10-1; 2) БрАЖ9-4. Какой сплав следует применять для заливки вкладышей подшипников ? Ответы: 1) БрБ2; 2) Д16; 3) Б16; 4) Л96. При каких температурах работают жаропрочные алюминиевые сплавы ? Ответы: 1) до 150оС; 2) 200 – 300оС; 3) 300 – 350оС; 4) 400 – 450оС; 5) 500 – 600оС. Из какого сплава изделия изготавливают холодной пластической деформацией? Ответы: 1) Л70; 2) Л59. Вариант 6 Какая из латуней называется «морской»? Ответы: 1) ЛАН60-1-1; 2)ЛО59-2; 3) ЛО60-1; 4) ЛК80-3. Какие из сплавов являются антифрикционными? Ответы: 1) БрС30; 2) Б83; 3) БК; 4) В96; 5) Д21. Какой сплав обладает высокой пластичностью и способностью принимать вытяжку в холодном состоянии? Ответы: 1) АЛ2; 2) Л70; 3) Д1; 4) БК; 5) БрБ2. Какой из сплавов – литейный? Ответы: 1) ЛА 77-2; 2) ЛЦ40Ми3А. Содержание какого элемента в сплаве ЛАЖ60-1-1 обозначено двузначной цифрой? Ответы: 1) алюминий; 2) медь; 3) цинк; 4) олово; 5) свинец. Вариант 7 Какая термическая обработка применяется для упрочнения алюминиевых сплавов? Ответы: 1) отжиг; 2) нормализация; 3) закалка и отпуск; 4) закалка и старение; 5) улучшение. Какой сплав содержит наибольшее количество цинка? Ответы: 1) Л96; 2) Л59. Какая из латуней – двухфазная? Ответы: 1) Л68; 2) Л39. Какой сплав может противостоять горячей азотной кислоте высокой концентрации? Ответы: 1) БрБ2; 2) АТЗ; 3) МЛ15; 4) В95; 5) Л96. Какой сплав – самый лёгкий? Ответы: 1) АЛ2; 2) МЛ15; 3) БрБ2; 4) АТЗ. Вариант 8 Какая латунь называется «автоматной»? Ответы: 1) ЛО59-2; 2)ЛС59-1; 3) ЛК80-3. Какой алюминиевый сплав следует применять для высоконагруженных деталей самолётов? Ответы: 1) АМг; 2) АЛ8; 3) В95; 4) АК2; 5) Д1. Какой сплав обладает наиболее высокой стойкостью против коррозии в сильно агрессивных средах? Ответы: 1) Л96; 2) БрБ2; 3) АТЗ; 4) МА8; 5) Д16. Какие из латуней являются двухфазными? Ответы: 1) Л70; 2) Л68; 3) Л62; 4) Л60; 5) Л39. Какой сплав следует применить для заливки вкладышей подшипников? Ответы: 1) БрС30; 2) БрБ2; 3) БрАЖ9-4; 4) АЛ10В. Вариант 9 Какую основу имеет сплав Б16? Ответы: 1) медную; 2) бериллиевую; 3) оловянистую; 4) свинцовистую; 5) кремниевую. Сплавы, на какой основе характеризуются наиболее высокой коррозионной стойкостью? Ответы: 1) алюминий; 2) титан; 3) магний; 4) медь. Какие сплавы относятся к алюминиевым? Ответы: 1) АЛ9; 2) МА8; 3) В96; 4) Д16; 5) АТЗ. К какой системе относится латунь? Ответы: 1) Cu-Sn; 2)Cu-Zn; 3) Cu-Pb. Какой из сплавов обладает наивысшей прочностью? Ответы: 1) МА8; 2) Д16; 3) В96; 4) ВТ15. Вариант 10 Какие из сплавов – литейные? Ответы: 1) Б16; 2) Д16; 3) АМц; 4) АЛ9; 5) ЛЦ40Ми3А. Какой сплав называется двойной латунью? Ответы: 1) меди и олова; 2) меди и цинка; 3) меди и свинца; 4) меди и алюминия. 3.Какой из сплавов – на основе свинца? Ответы: 1) БрС30; 2) БК; 3) Б83; 4) Д16; 5) Л59С2. 4.Применение, какого сплава обеспечивает наибольший выигрыш в весе? Ответы: 1) АЛ4; 2) МЛ15; 3) АТЗ; 4) БрБ2. Какие из сплавов характеризуются высокой удельной прочностью? Ответы: 1) Б89; 2) В95; 3) МА11; 4) ВТ15; 5) БрАЖ9-4. |