Микроструктурный анализ сплавов на основе меди

Медные сплавы, основным легирующим элементом в которых является цинк, называют латунями. Все остальные медные сплавы называют бронзами.

Латуни и бронзы применяют для получения фасонных отливок, а также в виде деформируемых полуфабрикатов.

Основным травителем для выявления структурных составляющих в медных сплавах является 3 %-й раствор FeCl₃ в 10 %-й HСl (желтого цвета). Для выявления внутрикристаллитной ликвации используют 8 %-й аммиачный раствор CuCl₂ (синего цвета).

Латуни

Двойные латуни. Двойными (простыми) латуняминазывают сплавы Cu с Zn. Структура двойных латуней определяется диаграммой состояния системы Cu – Zn (рис. 12), в которой a-фаза – это твердый раствор Zn в Cu с гцк решеткой, а b-фаза – соединение электронного типа переменного состава с оцк решеткой, отвечающее составу CuZn. При охлаждении около 450°С неупорядоченная b-фаза переходит в упорядоченную b¢-фазу.

Промышленные латуни являются однофазными сплавами (a-латуни) или двухфазными (a+b-латуни). В двухфазных латунях при комнатной температуре содержится упорядоченная b¢-фаза, но в названии «a+b-латуни» это не принято указывать.

При кристаллизации a-латуней в твердом растворе Zn в Cu образуется внутрикристаллитная (дендритная) ликвация. Для выявления дендритной ликвации литую a-латунь травят аммиачным раствором CuCl₂, при этом оси дендритов, обогащенные медью, оказываются светлыми по сравнению с темными межосными пространствами, обогащенными Zn.

Светлые и темные участки шлифа принадлежат одной a-фазе, которая в пределах каждого кристалла имеет переменный состав, чем и обусловлена разная травимость. После травления аммиачным раствором CuCl₂ границы между кристаллами обычно не выявляются. Для выявления границ зерен применяют раствор 3 %-й FeCl₃ в 10 %-й HCl.

Рис. 12. Диаграмма состояния системы Cu – Zn

После гомогенизационного отжига концентрация Zn внутри зерен выравнивается (усредняется), т.е. уничтожается дендритная ликвация. Структура литой a-латуни имеет такой же вид, как и структура литой меди (микроструктура чистой меди в литом состоянии состоит из кристаллитов, форма и размеры которых зависят от условий кристаллизации).

Микроструктура холоднодеформированной a-латуни аналогична микроструктуре холоднодеформированной меди или любого другого однофазного материала: она характеризуется волокнистым строением с нечеткими границами между раздробленными и вытянутыми кристаллами вдоль направления деформации.

Рекристаллизация a-латуни приводит к образованию полиэдрической структуры с большим количеством двойников, дающих в плоскости шлифа ряд параллельных полосок внутри зерна (двойников). Двойниковые прослойки на шлифе сильно отличаются по цвету от основного зерна (из-за разной ориентировки), и благодаря им рекристаллизованная a-латунь имеет весьма характерное микростроение.

По структуре a-латуни нельзя судить о ее составе, как нельзя судить о химическом составе по микроструктуре любого другого твердого раствора. К a-латуням относятся томпаки Л96 и Л90, полутомпаки Л85 и Л80, латуни Л70 и Л68 (патронная латунь). С увеличением содержания Zn цвет латуней изменяется от красноватого до светло-желтого, увеличивается прочность. Так, у латуней Л90, Л80 и Л68 предел прочности (s_B) равен 260, 310 и 330 МПа.

В a+b-латунях под микроскопом всегда четко видны две структурные составляющие – светлая a-фаза и темная b-фаза. Рекристаллизация при горячей обработке давлением или при отжиге после холодной деформации приводит к образованию двойниковых прослоек в a-кристаллах, в b-фазе двойники рекристаллизации не обнаруживаются.

По структуре a+b-латуни можно судить о содержании в ней цинка (Х), используя данные диаграммы состояния о составе a- и b-фаз:

, %

где F_a и F_b – площади шлифа (в %), занятые соответственно a- и b-фазой, а коэффициенты 39 и 46 – содержание Zn в этих фазах.

Определение содержания цинка по приведенной формуле можно проводить только для отожженной латуни, приведенной в состояние, близкое к равновесному. В истинно равновесном состоянии предельная концентрация Zn в растворе при комнатной температуре значительно меньше 39 % (рис. 13). Но поворот границы фазы в сторону ординаты Cu ниже 450°С реализуется только после чрезвычайно длительной выдержки. После обычного отжига двухфазной латуни с охлаждением образца вместе с печью из-за медлительности распада a – раствора в нем остается около 39 % Zn, что соответствует максимальной растворимости цинка в меди при температурах около 450°С.

К a+b-латуням относятся промышленные сплавы марок Л63 и Л60. Интервал составов, отвечающий марке Л63 (62-65 % Cu), находится около границы между a- и a+b-областями (61 % Cu). В неравновесном состоянии латунь Л63 всегда двухфазная. В состоянии, близком к равновесному, при комнатной температуре она должна быть однофазной (a).

При нагревании во время отжига или горячей обработке давлением латунь Л63 всегда попадает в a+b-область. При последующем ускоренном охлаждении из этой области остается неравновесный избыток b-фазы. Поэтому один из наиболее широко применяемых сплавов латунь Л63 чаще всего бывает двухфазной.

Рекристаллизованная a+b-латунь характеризуется наличием двойниковых прослоек в a-зернах и отсутствием двойников в b-зернах. Кроме того, если в литой латуни зерна фаз вытянуты, то в отожженной после холодной деформации a+b-латуни зерна обеих фаз имеют форму, близкую к полиэдрической.

Микроструктура b-латуни характеризуется резкой разницей в окраске зерен b-фазы, различно ориентированных по отношению к плоскости шлифа. Дендритная ликвация и двойниковые прослойки в b-зернах не обнаруживаются. Упорядоченная b¢-фаза обладают низкой пластичностью, и поэтому двухкомпонентные b-латуни в промышленности не используют.

Многокомпонентные латуни. Наряду с двойными латунями в промышленности широко применяют многокомпонентные (специальные) латуни, содержащие помимо цинка добавки других элементов.

В многокомпонентных латунях легирующие элементы растворены в a- и b-фазах и могут образовывать новые интерметаллидные фазы, наблюдаемые под микроскопом в виде дисперсных включений с резко различной окраской.

При введении легирующих элементов изменяется концентрация Zn, соответствующая границе a- и a+b-областей. Тип микроструктуры многокомпонентной латуни (a, a+b или b) можно оценить с помощью коэффициентов замены цинка (коэффициентов эквивалентности Гийе). Значения этих коэффициентов следующие: для Si – 11; Al – 5; Sn – 2; Pb – 1; Fe – 0,9; Mn – 0,5 и для Ni – минус 1,3. Коэффициент Гийе показывает, скольким процентам (по массе) цинка эквивалентен по своему действию на микроструктуру 1 % добавки. Кажущееся содержание цинка в латуни определяется по формуле:

, %

где С_Zn и C_{Cu –} действительные концентрации цинка и меди, а C₁, C₂, ... – концентрации добавок с коэффициентами замены K₁, K₂... При увеличении содержания всех добавок, за исключением никеля, происходит переход от a к (a+b)- и к b-структуре, т.е. качественно эти добавки действуют на микроструктуру так же, как и цинк, а количественная разница учитывается при использовании коэффициентов эквивалентности.

Трехкомпонентная свинцовая латунь ЛС59-1 содержит 59 % Cu и 1 % Pb. Микроструктура ее аналогична структуре двойной (a+b)-латуни Л59. Свинец почти нерастворим в a- и b-фазах и находится в виде темных включений, которые хорошо видны на нетравленом шлифе или, после травления, на фоне светлых a-зерен. Включения свинца при обработке резанием делают стружку ломкой, легко отделяющейся. Поэтому латуни с добавкой свинца применяют для быстрой обработки резанием на станках-автоматах, в частности в часовой промышленности.

Четырехкомпонентная железомарганцевая латунь ЛЖМц59-1-1 содержит 59 % Cu, 1 % Fe и 1 % Mn. Подсчитав по коэффициентам Гийе кажущееся содержание цинка, легко убедиться, что микроструктура этой латуни должна быть близка к микроструктуре (a+b)-латуни Л59. Марганец находится в растворе в a-и b-фазах, а железо первично кристаллизуется в элементарном виде и, действуя как затравка для кристаллов a-фазы, измельчает структуру. Темные включения железа видны на светлом фоне a-фазы. Латунь имеет повышенную прочность и хорошие антифрикционные свойства.

Алюминиево-никелевая латунь марки ЛАН59-3-2 содержит 59 % Cu, 3 % Al и 2 % Ni. Подсчет кажущегося содержания Zn показывает, что эта латунь должна быть двухфазной с преобладанием b-фазы. В литой латуни темные b-зерна по границам оторочены светлыми кристалликами a-фазы, выделившимися из b-фазы при охлаждении слитка. Алюминий и никель находятся в твердом растворе и, кроме того, образуют самостоятельную алюминиево-никелевую составляющую, серые включения которой хорошо видны на нетравленом шлифе. Латунь ЛАН59-3-2 отличается сочетанием высокой прочности и коррозионной стойкости.

Пятикомпонентная литейная алюминиево-железомарганцевая латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2 содержит 23 % Zn, 6 % Al, 3 % Fe и 2 % Mn. Несмотря на содержание всего 23 % Zn, основной структурной составляющей в этой латуни является b-фаза, что согласуется с подсчетом кажущейся концентрации цинка. На фоне b-зерен с резко различной окраской видны дисперсные включения железосодержащей фазы. Высоколегированная и очень прочная латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2, в отличие от деформируемых латуней ЛС59-1, ЛЖМц59-1-1 и ЛАН59-3-2, применяется только в литом состоянии.

Рассмотренные латуни можно сопоставить по величине предела прочности (s_B):

Латунь:	Л63	ЛС59-1	ЛЖМц59-1-1	ЛЦ23А6Ж3Мц2
sB, МПа

Бронзы

В зависимости от основного легирующего элемента различают оловянные, алюминиевые, свинцовые, бериллиевые и другие бронзы.

Оловянные бронзы – это сплавы меди с оловом, которые могут содержать также добавки фосфора, свинца, цинка, никеля и других элементов. Микроструктура двойных оловянных бронз определяется диаграммой состояния Cu – Sn (рис. 13). Фаза a – это твердый раствор олова в меди, а d-фаза – электронное соединение, отвечающее составу Cu₃₁Sn₈.

Рис. 14. Диаграмма состояния системы Cu – Sn

Рис. 15. Диаграмма состояния системы Cu – Al

Превращение d ® a+e при температурах ниже 350°С и поворот границы a-области в сторону ординаты меди реализуется только в условиях громадных выдержек сильно наклепанных образцов. В производственных условиях в отожженных двухфазных бронзах сосуществуют a- и d-фазы, причем в a-растворе, из-за чрезвычайной медленности его распада при низких температурах, удерживается до 15,8 % Sn.

Из-за большого расхождения ветвей ликвидуса и солидуса оловянные бронзы в сильной степени склонны к дендритной ликвации. После травления аммиачным раствором CuCl₂ оси дендритов, обогащенные Cu, оказываются более темными по сравнению с межосными пространствами.

Микроструктуры однофазных отожженных или деформированных в горячем состоянии бронз, аналогичны структурам a-латуней, прошедших соответствующую обработку.

В структуре литых сплавов, содержащих более 6-7 % Sn, из-за дендритной ликвации появляется эвтектоид (a+d). Небольшие включения неравновесного эвтектоида могут появляться в литых бронзах, начиная с концентрации ~ 2 % Sn. Структура таких сплавов состоит из двух составляющих – первичных кристаллов a-раствора на основе Cu с четко выраженной дендритной ликвацией и эвтектоида (a+d).

При средних увеличениях видно, что эвтектоид состоит из бледно-голубого интерметаллида (d), что согласуется с диаграммой состояния Cu – Sn, на которой эвтектоидная точка при 520°С сдвинута в сторону ординаты этого соединения, и темных изолированных включений – a-фазы.

При травлении 8 %-м аммиачным раствором CuCl₂ в литых сплавах, наряду с эвтектоидом, хорошо выявляется дендритная ликвация в первичных a-кристаллах. При отжиге литых сплавов, содержащих менее 15,8 % Sn, эвтектоид растворяется в a-фазе и может полностью исчезнуть; наряду с этим перестает выявляться дендритная ликвация в первичных a-кристаллах.

В структуре сплавов, содержащих более 15,8 % Sn, эвтектоид всегда присутствует, так как является равновесной составляющей.

На нетравленых шлифах оловянных бронз можно обнаружить неправильной формы серые включения хрупкой и твердой фазы – «оловянной кислоты» SnO₂. Для раскисления в бронзы вводят фосфор. При содержании его выше 0,2 % на шлифах можно обнаружить дополнительную составляющую – фосфид меди Cu₃P, имеющий вид изолированных включений светло-голубого цвета.

Для изготовления литых деталей ответственного назначения иногда используют нестандартную бронзу БрО10 с 10 % Sn. Структура отливок из этой бронзы состоит из первичных a-кристаллов и эвтектоида (a+d). В стандартной литейной оловяннофосфористой бронзе БрО10Ф1, в отличие от двойной бронзы БрО10, видны светло-голубые кристаллы фосфиды Cu₃P, входящие в состав вырожденной эвтектики a+Cu₃P. Бронзы БрО10 и БрО10Ф1 отличаются хорошими антифрикционными свойствами и используется для отливки узлов трения арматуры, венцов червячных шестерен.

Широко применяют для отливки арматуры и антифрикционных деталей многокомпонентные оловянные бронзы с добавками Zn, Pb и других элементов. Структура литейной оловянноцинковосвинцовой бронзы БрО5Ц5С5 состоит из первичных кристаллов a-раствора Sn и Zn в Cu, эвтектоида (a+d) и включений свинца (последние легче увидеть на нетравленом шлифе).

Алюминиевые бронзы – это сплавы меди с алюминием, а также с добавками марганца, железа и никеля. Добавки марганца улучшают коррозионную стойкость, добавки железа и никеля – прочностные свойства при комнатной и повышенной температурах, делая алюминиевые бронзы восприимчивыми к упрочняющей термической обработке.

Согласно диаграмме состояния Сu – Al (рис. 15) сплавы, содержащие менее 9,4 % Al, должны состоять из одной фазы – a-раствора алюминия в меди.

Микроструктура этих сплавов после отжига слитка, горячей деформации или отжига после холодной деформации ничем не отличается от структуры a-латуни, прошедшей соответствующую обработку. Раствор CuCl₂ в аммиаке выявляет в a-кристаллах литой алюминиевой бронзы светлые оси, обогащенные Cu, и темные межосные пространства, обогащенные Al. Следовательно, литую однофазную алюминиевую бронзу нельзя по микроструктуре отличить от a-латуни.

Однофазная деформируемая алюминиевая бронза БрА5 с 5 % Al отличается высокой коррозионной стойкостью и применяется для изготовления монет.

При содержании Al свыше 9,4 %, а в неравновесных условиях и при меньшем его содержании в структуре сплавов появляется эвтектоид (a+g₂), где g₂ – соединение электронного типа. После травления такой сплав при малых увеличениях легко спутать с (a+b)-латунью, т.к. микроструктура такого сплава состоит из светлых первичных a-кристаллов и темных участков эвтектоида, двухфазное строение которого из-за высокой дисперсности a- и g₂-фаз трудно различить. При средних увеличениях выявляется эвтектоидное строение темных участков шлифа в виде тонкой смеси светлых (a) и темных (g₂) кристаллов.

В двухфазных алюминиевых бронзах можно обнаружить наследственную структуру – видны очертания b-кристаллов, существовавших выше 565°С. Так как распад кристаллов начинается, прежде всего, по их границам, то эти границы, благодаря ориентированным вдоль них выделениям a-фазы, остаются очерченными при комнатной температуре после исчезновения самой b-фазы.

Трехкомпонентная алюминиевожелезная бронза БрАЖ9-4 содержит 9 % Al и 4 % Fe. Ее структура состоит из светлых зерен a-раствора Al и Fe в Cu, эвтектоида (a+g₂) и темных включений железной составляющей (возможно FeAl₃), равномерно распределенных на светлом фоне a-фазы.

После горячей деформации или холодной деформации с последующим отжигом a-зерна становятся полиэдрическими с большим количеством двойниковых прослоек. Железо измельчает структуру бронзы. Эта бронза характеризуется повышенной прочностью и удовлетворительными антифрикционными свойствами.

Четырехкомпонентная бронза БрАЖНМц10-3-1,5 содержит 10 % Al, 3 % Fe и 1,5 % Mn и относится к числу наиболее прочных алюминиевых бронз. Она имеет три структурные составляющие: a-кристаллы твердого раствора Al, Fe и Mn в Cu, эвтектоида (a+g₂) и точечные включения железной составляющей, равномерно распределенные по всему полю шлифа; эти включения трудно различить на темном фоне эвтектоида, но они хорошо видны на светлом фоне a-кристаллов. Количество эвтектоида в бронзе БрАЖМц10-3-1,5 больше, чем в бронзе БрАЖ9-4 из-за более высокой концентрации алюминия.

Обе эти бронзы применяются как для изготовления литых деталей, так и для обрабатываемых давлением полуфабрикатов.

Свинцовая бронза БрС30, содержащая 30 % Pb, используется в качестве антифрикционного материала. Свинец на поверхности трения образует тонкую пленку, играющую роль смазки. После травления раствором 3 % FeCl₃ в 10 % HCl микроструктура бронзы состоит из первичных кристаллов меди и эвтектики (Cu+Pb). Содержание меди в этой эвтектике составляет 0,04 %, поэтому она структурно вырождена и состоит практически полностью из кристаллов свинца. Свинец мягок и плохо полируется, включения свинца, рассеивающие свет, хорошо видны на нетравленом шлифе в виде черных пятен.

В литом сплаве черные включения свинца можно спутать с усадочными порами, которые также расположены по границам зерен меди и выглядят темными пятнами. Для того чтобы отличить поры от включений свинца, следует после наведения на резкость с помощью винта микронаводки медленно приближать объектив к шлифу. При этом изображение поверхности шлифа вместе с включениями свинца становится туманным, в то время как внутри крупных пор делаются видимыми очертания их стенок. Такой прием является обычным в тех случаях, когда необходимо надежно установить наличие усадочных пор, трещин и других углублений.

Бериллиевая бронза БрБ2 содержит 2 % Be и 0,4 % Ni. Никель полностью входит в твердый раствор на основе меди и дополнительных структурных составляющих не образует. По своему составу бронза БрБ2 находится вблизи точки предельной растворимости бериллия в меди при перитектической температуре. Эта бронза является классическим примером термически упрочняемых сплавов. Ее нагревают под закалку до 760-780°С, закаливают в воде и подвергают упрочняющему старению при 320°С в течение двух часов. При этом бронза БрБ2 приобретает рекордные для медных сплавов значения предела упругости, и поэтому широко используется в производстве пружинящих элементов.

Основная структурная составляющая закаленной бронзы БрБ2 – пересыщенный a-раствор Be в Cu, содержащий также никель. Кроме того, в структуре сплава присутствуют небольшие светлые включения b-фазы, полностью не растворившейся в a-фазе при нагреве под закалку.

После старения микроструктура бронзы БрБ2 при средних увеличениях светового микроскопа качественно не изменяется, так как продукты распада метастабильных a- и b-фаз очень дисперсны. Заметно лишь усиление травимости границ зерен (их утолщение) из-за более интенсивного распада по границам.

Некоторые из рассмотренных бронз можно сопоставить по значениям предела прочности:

Бронза	БрА5	БрАЖ9-4	БрАЖМц10-3-1,5	БрБ2
sB, МПа:

Порядок проведения работы

1. Просмотреть шлифы при увеличениях 100-200, определить структурные составляющие и схематично зарисовать микроструктуры всех образцов меди с примесями, латуней и бронз.

2. Под каждой микроструктурой подписать марку, средний химический состав, увеличение микроскопа и стрелками указать структурные составляющие.

3. Определить по микроструктуре содержание цинка в отожженной (a+b)-латуни.

4. Рассчитать по коэффициентам Гийе кажущуюся концентрацию Zn в указанных преподавателем латунях. Привести расчеты в отчете.

Лабораторная работа № 4