Вивчення мікроструктури кольорових металів та сплавів

Мета роботи:отримати практичні навички у проведенні мікроаналізу структур кольорових металів та сплавів; вивчити мікроструктури кольорових металів та сплавів; встановити зв'язок між структурою, властивостями та використанням різних кольорових металів та сплавів.

Завдання:визначити за мікрошліфами: а) для кольорових металів – назву металу, маркування, практичне застосування кольорового металу запропонованого зразка; б) для сплавів – назву, легуючий елемент, визначити приблизно його механічні властивості та встановити область застосування; схематично накреслити і описати мікроструктури, що вивчаються.

Устаткування, матеріали, посібники:

1. Робоче місце для виготовлення мікрошліфа: шліфувальний верстат, прилади для виконання полірувальних робіт.

2. Набір зразків для вивчення та визначення складових мікроструктур кольорових металів та сплавів.

3. Реактиви для травлення мікрошліфа.

4. Металографічний мікроскоп МІМ-7.

5. Наочне зображення мікроструктур.

6. Персональний комп’ютер із програмою стандартів на основні сплави і кольорові метали.

Теоретичні відомості. Кольорові метали мають комплекс цінних властивостей, таких, наприклад, як теплопровідність (алюміній, мідь), низьку температуру плавлення (свинець, олово), малу питому вагу (алюміній, магній), тощо. Проте застосування їх у чистому вигляді досить обмежене. Широко застосовуються сплави кольорових металів – латуні, бронзи, бабіти (на основі міді, цинку, олова, свинцю), а також дюралюміни і силуміни (на основі алюмінію), сплави на основі титану, магнію. На основі кольорових металів та їхніх сплавів створюються також композиційні матеріали та такі, що виготовляють методами порошкової металургії.

Алюміній та його сплави– легкий метал третьої групи періодичної системи елементів, сріблясто-білого кольору, з густиною 2,7 г/см³, високою електро- і теплопровідністю та корозійною стійкістю (утворює щільну поверхневу плівку оксиду А1₂О₃). Температура плавлення алюмінію, в залежності від чистоти металу, становить 660–667 °С. Прокатний і відпалений алюміній високої чистоти має міцність = 60 МПа, модуль пружності Е = 7•10³ МПа, пластичність = 50 %, твердість 25 НВ. Алюміній – високопластичний, маломіцний матеріал, добре обробляється тиском, зварюється, але погано піддається обробці різанням. У якості конструкційного матеріалу його не застосовують.

Постійні домішки (Fe, Si, Ti, Mn, Cu, Zn, Cr) знижують фізико-хімічні характеристики і пластичність алюмінію. Залежно від вмісту домішок розрізняють марки алюмінію: А999 (0,001 %домішок), А995 (0,005 % домішок), А99 (0,010 % домішок), а також А97, А95.

Введення легуючих елементів дозволило створити низку алюмінієвих сплавів із різними фізико-механічними та технологічними властивостями. Сплави алюмінію поєднують у собі кращі властивості чистого алюмінію і підвищені характеристики легуючих елементів. Так, залізо, титан, нікель підвищують жароміцність сплавів; мідь, марганець, магній забезпечують зростання характеристик міцності. Легуванням і відповідною термічною обробкою досягають підвищення міцності алюмінію ( ) від 100 до 500 МПа, твердості – від 20 до 150 НВ.

За технологією виготовлення заготовок і виробів усі промислові сплави алюмінію поділяють на три групи: деформаційні, ливарні, спечені.

Сплави, що піддаються деформуванню, повинні забезпечувати високу технологічну пластичність для здійснення операцій прокатування, кування, пресування тощо. Тому вони повинні мати однорідну структуру твердого розчину на основі алюмінію. Для підвищення міцності допускають у структурі сплаву невелику кількість кристалів евтектики. Деформовані сплави алю­мінію поділяють на такі, що зміцнюють термічною обробкою, і такі, що не зміцнюють.

До термічно незміцнюваних сплавів належать технічний алюміній (АД, АД1, АД0), сплави алюмінію з марганцем (позначають АМц) і сплави з магнієм та марганцем (позначають АМг). Вони мають помірну міцність, пластичність, добре зварюються, корозійно стійкі. Залежно від стану поставки листу (0,5–10 мм) у позначенні марки сплаву додають літери. В разі поставки сплаву у відпаленому стані пишуть літеру М – м'які (АМгМ), за незначного наклепу­вання – літеру П (АМгП), за значного – літеру Н (АМгН). Зі зростанням ступеня деформації (наклепування) підвищується міцність сплавів. Так, міцність і пластичність сплаву АМцН становить = 220 МПа, = 5 %, а сплаву АМцМ – = 130 МПа, = 20 %.

Малонавантажені деталі зварювальних і клепаних конструкцій, деталі глибокої витяжки виготовляють зі сплавів типу АМцН, а також АМг2М, АМгЗМ ( = 170–200 МПа, = 4–18 %). Деталі конструкцій середнього навантаження та високої корозійної стійкості виготовляють зі сплавів типу АМг5М, АМг6М ( = 280 МПа, = 15 %). Зі сплавів АМц і АМг виготовляють лист, прутки, дріт.

Термічно зміцнювані сплави алюмінію за хімічним складом і властивостями більш різноманітні. Їх поділяють на:

• сплави підвищеної пластичності АВ, АД31, АД33 (на основі системи Al – Mg – Si);

• конструкційні сплави (Al – Cu – Mg) – дюралюміни марок Д1, Д16, Д18, В65;

• ковкі (Al – Mg – Si – Cu) марок АК6, АК8;

• високоміцні (Al – Zn – Mg – Cu) марок В95, В96;

• жароміцні сплави систем (Al – Cu – Mg) марок АК4-1 та
(Al – Cu – Mn) Д20.

Сплави підвищеної пластичності – авіалі (АВ, АД31, АД33) – містять у своєму складі, крім алюмінію, 0,4–1,2 % Mg, 0,3–1,2 % Si, 0,15–0,35 % Mn, добре зварюються, корозійно стійкі. Термічна обробка їх складається з гартування від 515–525 °С і старіння (природного або штучного). Штучне старіння проходить значно швидше і здійснюється за температури 160–170 °С протягом 12–15 годин одразу ж після гартування. У процесі цього виділяється зміцнююча фаза Mg₂Si. Після гартування і штучного старіння властивості сплаву АВ дорів­нюють: = 380 МПа, = 250 МПа, = 14 %, а після природного старіння = 260 МПа, = 200 МПа, = 20 %. Зі сплавів АВ, АД3 виготовляють листи, труби, пресовані профілі, заготовки, ковані деталі двигунів, лопасті ґвинтів вертольотів тощо.

Конструкційні сплави (дюралюміни) широко застосовуються у різних галузях техніки, їх маркують літерою Д, після якої стоїть цифра, що відповідає умовному номеру сплаву. Термічна обробка дюралюмінів складається з гартування від 500–510 °С (охолодженням у киплячій воді) і старіння. Природне старіння здійснюють за кімнатної температури протягом 5–7 діб, штучне – за температур 150–190 °С протягом 4–12 годин або за температури 250 °С протягом 2–4 годин. Особливістю гартування дюралюмінів є необхідність дотримуватися температурного режиму, наприклад, 505±5 °С (для Д1) і 500±5 °С (для Д16, Д18). Структура дюралюмінів складається з -твердого розчину і зміцнюючих фаз. Так, у сплаві Д1 основною зміцнюючою фазою є (CuAl₂), у сплаві Д16 з підвищеною кількістю магнію – (CuА1₂) і S(А1₂CuMg). Дюралюмін Д16 має найбільшу міцність після гартування та природного старіння: = 480 МПа, = 320 МПа, = 14 % (лонжерони, шпангоути, обшивки літаків). Деталі і конструкції середньої міцності виготовляють зі сплавів Д1, Д1А ( = 360 МПа, – 12 %).

Дюралюміни виробляють у вигляді листа, пресованих і катаних профілів, прутків, труб. Для підвищення корозійної стійкості їх піддають плакуванню. Відповідно у маркуванні таких сплавів додають літеру А: наприклад, Д16А, Д1А. Сплави Д18 і В65 є основними алюмінієвими заклепочними сплавами. Найбільш широко дюралюміни застосовуються в авіаційній промисловості та будівництві.

Алюмінієві сплави, придатні для кування (ковочні), позначають літерами АК і відносять до системи Al – Cu – Mg – Si. Вони пластичні, стійкі до утворення тріщин під час гарячої пластичної деформації. Ці сплави (АК6, АК8) за хімічним складом близькі до дюралюмінів і відрізняються високим вмістом кремнію (0,7–1,2 %). Сплави АК6 і АК8 застосовують після гартування від 520±5 °С (АК6) і 505±5 °С (АК8) та штучного старіння за температури 160–170 °С протягом 12–15 годин. Після термічної обробки механічні властивості цих сплавів такі: = 400 МПа, = 12 % (АК6); = 480 МПа, = 9 % (АК8). Проте обидва сплави мають низьку корозійну стійкість і потребують додаткових заходів щодо захисту від корозії. З них виготовляють штамповані деталі та складної форми і середньої міцності (АК6) – підмоторні рами, кріпильні деталі, а також такі високонавантажені штамповані деталі (АК8), як пояси лонжеронів, лопасті ґвинтів вертольотів, бандажі вагонів.

Високоміцні алюмінієві сплави (В95, В96) окрім міді і магнію містять у своєму складі значну кількість цинку (5–8,6 %). Підвищену міцність цих сплавів зумовлює наявність в їхній структурі після гартування за температури 460–470 °С у воді і штучного старіння за температури 120–140 °С протягом 24–16 годин зміцнюючих фаз, відповідно, η(MgZn₂), Т(А1₂Mg₂Zn₃), S(Fl₂CuMg). Після термічної обробки механічні властивості для сплаву В95 наступні: = 550–600 МПа, = 530–550 МПа, = 8 %; для сплаву В96 = 700 МПа, = 50 МПа, = 7 %. Сплави В95 і В96 застосовують у літакобудуванні для конструкцій високого навантаження і тривалої експлуатації за температур до 100 °С. До недоліків цих матеріалів відносять невисокі пластичність, в'язкість руйнування і низьку корозійну стійкість під напруженням. Підвищенню цих характеристик сприяє двоступінчасте пом'якшуюче старіння.

Жароміцні сплави використовують для експлуатації за температур до 300 °С (поршні, головки циліндрів, диски і лопатки компресорів реактивних двигунів, обшивка надзвукових літаків). Найбільш поширені сплави типу АК4-1 системи Al – Cu – Mg – Si з доданням заліза та нікелю; Д20 системи Al – Cu – Mn з доданням титану та цирконію. У сплаві АК4-1 Fe і Ni утворюють нерозчинну фазу Al₉FeNi, що під час термічної обробки не змінюється.

Основною ж зміцнюючою фазою у сплаві є S(Al₂CuMg). Після гартування за температури від 530±5 °С і штучного старіння сплав АК4-1 має наступні механічні характеристики: = 300–180 МПа, = 190–120 МПа, =18–12 %.

Сплав Д20 має наступні характеристики механічних властивостей: = 420 МПа, = 330 МПа, = 11 %.

Перспективними жароміцними сплавами алюмінію є сплави системи Al – Mg – Li, що поєднують високу міцність, низьку питому вагу і достатню жароміцність.

Ливарні сплави алюмінію використовують для виготовлення фа­сонних виливків різної форми та призначення. До їх складу входять ті самі легуючі компоненти, що й до деформованих сплавів, але у більшій кількості (до 9–13 % для кожного компонента). Промисло­вість виробляє ливарні алюмінієві сплави (АЛ) марок від АЛ1 до АЛ33. У маркуванні цих сплавів літера А означає, що сплав алюмінієвий, літера Л – що сплав ливарний, а цифра – порядковий номер сплаву.

За хімічним складом ливарні алюмінієві сплави можна поділити на кілька груп. Наприклад, алюміній з кремнієм (АЛ2, АЛ4, АЛ9) або алюміній з магнієм (АЛ8, АЛ13).

Типовими є сплави системи А1 – Sі (10–13 % Sі) – силуміни. Розчинність Sі в А1 мала (0,8 % за температури 500 °С; 0,05 % – 20 °С). Тому лише з Аl і Si практично не зміцнюються термічною обробкою і в системі Аl – Si можуть бути сплави, що частково або повністю складаються з евтектики. Введення в силуміни Cu, Mg сприяє зміцненню сплаву у процесі старіння; Ti, Zr подрібнюють

зерно; Mn покращує корозійну стійкість; Ni і Fe підвищують жаростійкість.

Для поліпшення механічних властивостей силуміни з вмістом кремнію більше 5 %модифікують натрієм: 1–3 %від маси розплаву додають солі натрію (2/3 NaF + 1/3 NaСІ). Структура немодифікованих сплавів (рис. 4.2) складається з голчастих кристалів Sі й евтектики ( + Si), а після модифікування – з -розчину і евтектики ( + Si) тонкої будови.

Властивості алюмінієвих ливарних сплавів залежать від способу лиття та виду термічної обробки, швидкості охолодження під час тверд­нення виливка і гартування. Для ливарних сплавів алюмінію характерна більш груба крупнозерниста структура. Це зумовлює режими їх термічної обробки. Тому для гартування силуміни нагрівають до 520–540 °С і витримують 5–10 годин для повнішого розчинення включень. Штучне старіння здійснюють за температури 150–180 °С протягом 10–20 годин. Із силумінів виготовляють деталі, що працюють за невеликих (АЛ2), середніх (АЛ4) і вібраційних (АЛ8) навантажень, а також підвищених до 150–170 °С температур (АЛ1, ОВ) тощо.

Спечені алюмінієві порошкові (САП) сплави на основі і одержують шляхом брикетування порошку алюмінію, вакуумної де­газації брикетів із подальшим їх спіканням під тиском. Вміст А1₂О₃ у спечених сплавах алюмінію знаходиться у межах від 6–9 % (САП1) до 18–22 % (САП4). Дрібні частинки А1₂О₃ гальмують рух дислокацій у сплаві і підвищують його міцність. Жаростійкість САП матеріалів за тривалого нагрівання зберігається до 500 °С, а за короткочас­ного – до 1000 °С.

Мідь та сплави на її основі.За обсягами виробництва мідь посідає третє місце після заліза та алюмінію. Запаси її у земній корі дорівнюють 0,01 %, у сульфідних рудах (CuFeS – мідний колчедан, CuS – халькозин, Cu₂S – халькопірит) – від 0,5 до 5 %. Мідь має ГЦК- кристалічну ґратку, температура плавлення становить 1038 °С, питома вага = 8,9 г/см³.

Одержують мідь зі збагаченого концентрату (11–35 % Cu), який спочатку обпалюють за температури 600–850 °С для часткового зниження вмісту сірки, а потім для відділення від рудних домішок плавлять за температури 1300–1500 °С на штейн (сплав сульфідів Cu₂S і Fe). Мідний штейн містить 16–60 % Cu, а також Fe і S. Штейн переплавляють у спеціальному конверторі з продувкою розплаву повітрям за температури 950–1050 °С і одержують чорнову мідь, що містить до 1–2 % домішок (Fe, Zn, Ni, As та інші). Очищують чорнову мідь шляхом вогневого або електролітичного рафінування. Первинна технічно чиста мідь після рафінування містить 99,5–99,99 % Cu. Чиста мідь має 11 марок – М00б, М0б, М1б, М1у, М1, М1р, М1ф, М2р, М3р, М2, МЗ. Сумарна кількість домішок у марці найвищої чистоти М00б - 0,01 %, а в марці М3 – 0,5 %.

Залежно від механічних властивостей розрізняють також тверду (негартовану) мідь – МТ і м'яку (відпалену) – ММ. Механічні властивості чистої відпаленої міді наступні: = 220–240 МПа, 40–80 НВ, = 45–50 %, = 60–75 %. Цінними властивостями міді є її висока електропровідність та теплопровідність, пластичність, низька окислюваність. Електропровідність міді знижується за наявності домішок. Половина всієї міді використовується в електротехніці. Для електротехнічних потреб чисту мідь постачають у вигляді дроту, прутка, стрічки, листа, смуги і труб. У зв'язку з низькою міцністю у якості конструкційного матеріалу використовують не чисту мідь, а лише сплави міді з оловом, цинком, алюмінієм, кремнієм, марганцем тощо. Легування міді підвищує її механічні, технологічні та експлуатаційні властивості. Залежно від хімічного складу розрізняють три основні групи сплавів міді: бронзи, латуні і сплави міді з нікелем.

Бронзи–це сплави міді з оловом, алюмінієм, марганцем, кремнієм, берилієм, свинцем. Залежно від основного легуючого еле­мента бронзи називають олов'янистими, алюмінієвими, берилієвими та ін. Для підвищення механічних і особливих властивостей бронзи додатково легують Fe, Ni, Ti, Zn, Р, для підвищення корозійної стійкості – Mn, пластичності – Nі, міцності – Fе, оброблюваності різанням – Pb.

Маркують бронзи літерами Бр, далі літерами позначають еле­менти, що входять до складу бронзи: О – олово, Ц – цинк, А – алюміній, С – свинець, Ж – залізо, Мц – марганець, Б – берилій та інші. Після цього цифрами вказують середній вміст елементів у відсотках (вміст міді цифрами не вказують). Наприклад, марка БрОЦ4-3 означає, що бронза містить 4 % олова і 3 % цинку, решта – мідь; БрОЦС5-5-5 – бронза містить олова, цинку і свинцю по 5 %, решта – мідь.

Олов'янисті бронзи (БрО3, БрО6, БрОС25-8 та інші), залежно від вмісту олова і фазового стану, поділяють на однофазні (до 5 % Sn) із структурою - твердого розчину і двофазні (більше 5 % Sn) зі структу­рою (рис. Л.4.3), що складається з -твердого розчину та евтектоїда ( + Cu₃₁Sn₈).

Однофазні бронзи пластичні і добре піддаються деформуванню, з них виготовляють фольгу, сітки, дріт, прутки, стрічки тощо у негар­тованому (твердому) і відпаленому (м'якому) станах.

Двофазні олов'янисті бронзи з більшим вмістом олова (до 15–20 %) використовують у якості ливарних матеріалів для виготовлення різних фасонних виливків, їх також додатково легують цинком (4–10 %), свинцем (3–6 %), фосфором (0,4–1,0 %). Олов'янисті бронзи корозійно стійкі у морській воді, NaОН, Na₂СО₃, не стійкі у розчинах HNО₃ і НС1, мають досить високі механічні властивості: = 150–350 МПа, = 3–5 %, твердість 60–90 НВ, добре обробляються різанням.

Олов'янисті бронзи типу БрОЦН3-7-5 використовують для арма­тури, що експлуатується на повітрі, у прісній воді, маслі, парі і за температури до 250 °С; бронза типу БрОЦС5-5-5 – для антифрик­ційних деталей, арматури тощо.

До складу безолов'янистих бронз, окрім міді, входять АІ, Fе, Mn, Ве, Sі, Р або різні комбінації цих елементів.

Алюмінієві бронзи (4–11 %АІ) мають високу корозійну стійкість, високі механічні та технологічні властивості (БрАЖ9-4, БрАЖН 10-4- 4, БрКМц3-1, БрС30 та інші). Однофазні бронзи ( -твердий розчин) із вмістом алюмінію до 8–9 %добре обробляються тиском у гарячому і холодному стані (рис. 4.3, в).Двофазні бронзи ( -твердий розчин + Сu₂А1) із вмістом алюмінію 9–11 %, а також заліза, нікелю, марган­цю мають більшу міцність, піддаються обробці тиском у гарячому стані. Двофазні бронзи можна піддавати зміцнюючій обробці гартуванням за температури від 900–950 °С із відпуском за різних температур. Завдяки цьому утворюється орієнтована голчаста структура, зростає твердість та міцність, зменшується пластичність. Так, бронза БрАЖН10-4-4 після гартування і відпуску (400 °С) підвищує твердість від 170–200 до 400 НВ. З алюмінієвих бронз виготовляють арматуру трубо­проводів для різних середовищ (окрім морської води) і температур до 250 °С (БрАЖ9-4, БрАЖ9-4Л); деталі для експлуатації в середовищі морської води, ґвинти, лопасті (БрАМц9-2Л); втулки, підшипники ковзання (БрАМц10-2); фланці, шестерні та інші відповідальні деталі (БрАЖМц10-3-1,5).

Марганцеві бронзи (БрМц5 БрМцС20-5) мають порівняно неви­сокі механічні властивості, але високу пластичність, корозійну стій­кість, жароміцність. Із них виготовляють деталі для теплоелектро­станцій, котли, вентилі, засувки, арматуру тощо.

Берилієві бронзи містять у своєму складі 2–2,5 % Ве (БрБ2), мають дуже цінний комплекс властивостей: високу хімічну стійкість, тепло­стійкість, високий поріг пружності, добре обробляються різанням, мають високі механічні властивості ( = 1100–1300 МПа, твердість –370 НВ, = 1 %). Берилієві бронзи гартують у воді за температур не вище 800 °С і піддають штучному старінню за температури 350 °С.

Використовують берилієву бронзу для виготовлення виробів від­повідального призначення: пружні контакти, пружини, мембрани, безіскровий інструмент для ведення вибухонебезпечних гірничих робіт.

Кремнієві бронзи містять у своєму складі 1–3 % Sі (БрКН1-3, БрКМц3-1), є замінниками олов'янистих бронз (наприклад, БрОЦС6-6-3). Вони мають високі ливарні властивості, корозійну стійкість, пружність, допускають гарячу обробку тиском і обробку різанням. Із кремнієвих бронз виготовляють прутки, смугу, виливки, заготовки для виробів, що працюють за температур до 500 °С.

Свинцева бронза (БрС30) широко використовується у машинобу­дуванні як антифрикційний матеріал.

Латуні – це подвійні або багатокомпонентні сплави міді, у яких основним легуючим елементом є цинк (до 45 %). За більшого вмісту цинку в латуні знижується міцність і зростає крихкість. Вміст інших легуючих елементів у спеціальних латунях не перевищує 7–9 %.

Маркують латуні літерою Л, після якої цифрою вказують вміст міді у відсотках (наприклад, сплав Л62 містить 62 % Сu і 38 % Zn). Якщо у складі латуні окрім міді і цинку є ще інші елементи, то для їхнього позначення після літери Л пишуть початкові літери назв цих елементів (О – олово, С – свинець, Ж – залізо, Ф – фосфор). Відсоток вмісту кожного з цих елементів показують відповідні цифри, що стоять після кількісного показника міді в латуні. Наприклад, сплав ЛАЖ60-1-1 містить 60 % Сu, 1 % А1, 1 % Fе і 38 % Zn.

Залежно від вмісту Zn і структури за кімнатної температури, латуні поділяють (рис. 4.4) на однофазні -латуні (до 39 % Zn) і двофазні + -латуні (більше 39 % Zn). Якщо цинку в сплаві більше 39 %, утворюється крихка -фаза – твердий розчин на основі елек­тронної сполуки типу СuZn з ОЦК- ґраткою.

Однофазні латуні (Л62, Л68, Л80) пластичні, легко деформуються. Постачають їх у вигляді напівфабрикатів – прутки, дріт, смуга, стрічки тощо. З латуней типу Л62, Л68 виготовляють стрічки, гільзи патронів, радіаторні трубки, дріт, фольгу. Латунь марки Л80 (томпак) має колір золота. Використовують її для виго­товлення ювелірних і декоративних виробів, а також для відповідальних деталей.

Механічні властивості однофазних латуней (Л68, Л80, Л90) наступні: – 260–320 МПа, = 43–55 %, твердість – 53–55 НВ.

Двофазні + -латуні малопластичні, вироби з них виготовляють в основному методом лиття. З ливарних латуней ви­робляють арматуру, фасонне лиття, втулки (ЛС59-1Л); антифрик­ційні деталі (ЛМц58-2-2); корозійностійкі деталі (ЛА67-2,5); гребні ґвинтів, лопасті, арматуру, що експлуатується за температури до 300 °С (ЛМцЖ55-3-1); черв'ячні гвинти для важких умов праці (ЛАЖМц66-6-3-2).

Механічні властивості таких латуней залежать не лише від їхнього складу, але і від умов кристалізації у ливарних формах. Так, за лиття в кокіль латунь марки ЛС59-1Л має = 200 МПа, = 20 %, твердість – 80 НВ; латунь марки ЛАЖМц66-6-3-2, відповідно, = 650 МПа, = 6–7 %, 160 НВ.

Додаткове легування латуней різними елементами підвищує їхні експлуатаційні властивості. Так, легування 1–2 % свинцю поліпшує оброблюваність сплаву різанням (ЛС59 – автоматна латунь); олово підвищує корозійну стійкість у морській воді; алюміній і нікель підвищують механічні властивості (ЛАН59-3-2) тощо.

Сплави міді з нікелем(основний легуючий елемент) використову­ють як конструкційні та електротехнічні матеріали.

Куналі (Cu – Nі – Al) містять у своєму складі 6–13 % Ni, 1,5–3 % А1, решта – мідь. Такі сплави піддають термічній оброб­ці - гартуванню з наступним старінням. Куналі використовують для виробництва деталей підвищеної міцності, виготовлення пружин, а також різних електромеханічних виробів.

Нейзильбери (Cu – Ni – Zn) містять у своєму складі до 15 % Ni, до 20 % Zn, решта – мідь. Мають колір, близький до срібла, стійкі до атмосферної корозії. Ці сплави використовують у приладобуду­ванні, виробництві годинників тощо.

Мельхіори (Cu – Ni + невеликі добавки до 1 % Fе і Mn) мають високу корозійну стійкість, зокрема, у морській воді. Використову­ються для виготовлення теплообмінних апаратів, посуду, деко­ративних штампованих і карбованих виробів.

Капель (Cu – Ni – Mn) містить у своєму складі 45 % Ni, 0,5 % Mn, решта – мідь. Сплав із високим питомим електроопором використовують в електротехніці, а також для виготовлення електро­нагрівальних елементів.

Манганін (Cu – Ni – Mn) відносять до реос­татних сплавів, використовують в електротехніці (МНМц3-12). Таке саме застосу­вання має і константан.

Константан (Cu – Ni – Mn) має у своєму складі 40–43 %Ni, 0,5–1,5 % Mn, решта – мідь (МНМц40-1,5).

Титан, магній та їх сплави. Титан – сріблясто-сірий метал із температурою плавлення 1672 °С, з малою питомою вагою ( = 4,5 г/см³) і високою корозійною стій­кістю – належить до перехідних металів четвертої групи періодичної системи елементів. Міцність титану = 270 МПа, пластичність = 25 %, твердість – 100–140 НВ. Міцність технічно чистого титану залежить від чистоти металу. Домішки вуглецю, кисню, водню знижують його пластичність, опір корозії і зварюваність. Особливо шкідливими є домішки водню. Механічні властивості технічно чистого титану (марки ВТ1-0, ВТ1-00, ВТ1-1) знаходяться на рівні властивостей звичайних конструкційних сталей. З нього виготовля­ють катані і пресовані труби, лист, дріт, поковки. Він добре зварюється, має високі механічні характеристики, корозійну стій­кість і жароміцність, але важко обробляється різанням, має низькі антифрикційні властивості.

Легування титану певними елементами дозволяє значно підви­щити його механічні ( >1500 МПа, =10–15 %) та спеціальні властивості. Так, А1 підвищує жароміцність і механічні властивості титану, V, Мо, Cr, Mn – жароміцність.

Титан є поліморфним металом і існує у двох алотропічних модифікаціях – і . Температура поліморфного перетворення дорівнює 882,5 °С. Нижче цієї температури титан має гексагональну кристалічну ґратку, а вище – ґратку об'ємноцентрованого куба. Легуючі елементи, що входять до складу промислових титанових сплавів, утворюючи з титаном тверді розчини заміщення, змінюють температуру поліморфного перетворення на і навпаки. Такі елементи, як А1, О, N, підвищують температуру перетворення, розширюють область існування -твердого розчину на діаграмі стану ( -стабілізатори); елементи Мо, V, Nb, Сr, Mn, Fе знижують температуру і пере­творення ( -стабілізатори).

Залежно від структури у рівноважному стані, титанові сплави поділяють на -сплави (однофазні) і -сплави (двофазні). Так, основ­ними промисловими сплавами титану зі структурою + є ВТ5 (4,5–5 % А1; 3,5–4,5 % V), ВТ8 (5,8–6,8 % А1; 2,8–3,8 % Мо). За технологічним призначенням їх поділяють на ливарні і такі, що піддаються деформуванню.

За міцністю титанові сплави поділяють на три групи:

• низької міцності з = 300–700 МПа (ВТ1);

• середньої міцності з = 700–1000 МПа (ВІЗ, ВТ4, ВТ5);

• високої міцності з >1000 МПа (ВТ6, ВТ14, ВТ15) після
гартування та старіння.

Титанові сплави можна піддавати всім основним видам термічної обробки, а також хіміко-термічній обробці, змінюючи їхні власти­вості у потрібному напрямі.

Наприклад, механічні властивості сплаву ВТ5 після відпалювання за температури 750 °С становлять: = 750–900 МПа, = 10–15 %, твердість 240–300 НВ. Сплав ВТ8 після гартування за температури 900 °С і старіння за температури 500 °С має міцність = 1000–1150 МПа, пластичність = 3–6 %, твердість – 310–350 НВ, а сплав ВТ14, відповідно, = 1150–1400 МПа, = 6–10 %, твердість – 340–370 НВ.

Ливарні сплави мають нижчі механічні властивості по­рівняно з аналогічними деформованими. Для лиття використовують сплави, що відповідають хімічному складові сплавів ВТ5, ВТ14 (мар­кують їх із доданням літери Л – ВТ5Л, ВТ14Л), або спеціальні ливарні сплави.

Титан та його сплави використовують в авіації та ракетобудуванні, хімічній промисловості, суднобудуванні і кріогенній техніці.

Магній – найбільш легкий з кольорових технічних металів ( = 1,75 г/см³) – не має алотропічних перетворень. Температура плав­лення магнію 650 °С. Технічно чистий магній має низькі механічні властивості ( = 180 МПа, = 5 %, твердість – 30 НВ), схильний до самозапалювання, теплопровідність та електропровідність його низькі. Вико­ристовується в техніці у вигляді сплавів. До складу магнієвих сплавів входять А1, Zn, Mn, Zr, завдяки чому міцність зростає до 200–450 МПа. Сплави магнію поділяють на деформовані та ливарні.

Деформівні магнієві сплави призначені для виготовлення напів­фабрикатів (пруток, лист, профіль) обробкою тиском. За нормальних температур магній деформується погано. Для підвищення пластич­ності його сплавів застосовують обробку тиском за температури 360–520 °С залежно від марки сплаву. Такі сплави маркують літерами МА і цифрами (МА1, МА2-1, МА14), що означають порядковий номер сплаву.

Сплав МА1 (містить 1,3–2,5 % Мn) має хорошу технологічну пластичність, зварюваність і корозійну стійкість. Відноситься до сплавів низької міцності. Додаткове легування його цезієм (близько 0,2 %; МА8), подрібнює зерно, підвищує механічні власти­вості та здатність до холодної деформації. Сплав МА2-1 належить до системи Mg – Al – Zn, має досить високі механічні властивості і технологічну пластичність. Піддається всім видам листового штампу­вання та прокатування. З деформованих магнієвих сплавів (МА) виготовляють деталі літаків, автомобілів і прядильних верстатів.

Ливарні магнієві сплави використовують для виготовлення дета­лей методом лиття, їх маркують літерами МЛ і цифрами, що означа­ють порядковий номер сплаву (МЛ5, МЛ6, МЛ-10, МЛ-12). Напри­клад, сплави МЛ5 і МЛ6 належать до системи Mg – Al – Zn. Найпоширенішим з цієї групи сплавів є МЛ5 (7,5–9 % А1; 0,2–0,8 % Zn; 0,15–0,5 %Mn). Виливки з магнієвих сплавів іноді піддають гартуванню з наступним старінням. Деякі сплави МЛ застосовують для високонавантажених деталей авіаційної промисловості (картери, корпуси приладів, форми шасі тощо). З огляду на низьку корозійну стійкість магнієвих сплавів, вироби з них піддають оксидуванню з наступним нанесенням на них лакофарбових покриттів.

Порядок виконання роботи

1. У вибраних зразках поверхні для дослідження у разі потреби шліфують і обов'язково полірують. Виявлення структури основи шліфів починають із протирання (промивання), далі здійснюють травлення на поверхні кожного зразку половини дзеркальної поверхні за допомогою реактивів. Для кольорових металів частіше застосовують 4 %-ий розчин азотної кислоти НNО₃ в етиловому спирті. На обох зразках половини шліфів протирають ватою (10–15 с), змоченою в реактиві, до появи рівного матового відтінку без наявності будь-яких плям. Потім шліфи проми­вають етиловим спиртом. У результаті неоднакового ступеня травлення структурних складових на поверхні шліфа утворюється мікрорельєф.

Вивчення протравленої поверхні шліфів під оптичним мікроскопом або на моніторі комп’ютера дає змогу побачити мікроструктуру основи кольорових металів. Вона складається зі світлих і темних ділянок. Це пояснюється неоднаковою ступінню відбиття світла від структурних складових. Структура, розчинена на велику глибину, має темний колір, так як дає більше розсіюючих променів. Структура ж, що розчинена менше, за рахунок прямого відбиття світла, має світлий колір. Границі зерен мають вигляд тонкої сітки. Часто зерна металу одного й того ж самого фазового складу під мікроскопом можуть мати різні відтінки. Це пояснюється тим, що кожне зерно в площині шліфа має свій перетин кристалічної решітки з різною кількістю у ньому атомів, а значить, і властивості зерен відрізняються одне від одного. Таке явище називається анізотропією (здатність монокристала мати різні властивості в різних кристалографічних напрямках).

2. У прямокутнику або колі замалювати мікроструктуру заданих зразків: на одній половині – до травлення, а на другій – після травлення. На замальованих схемах мікроструктур вказати назви структу­рних складових.

3. За структурою замальованого протравленого мікрошліфа потрібно орієнтовно визначити марку кольорового металу.

4. Вказати вид кольорового металу, структуру, властивості, область застосування.

Контрольні питання для захисту роботи

1. Назвати основні переваги та недоліки кольорових металів.

2. Які сплави на основі міді ви знаєте?

3. Які основні властивості латуней, область використання?

4. Бронзи, їх різновиди і основні властивості.

5. Назвіть основні алюмінієві сплави та область їх використання.

6.Чим відрізняється модифікований силумін від немодифікованого?

7. Технологія приготування мікрошліфів.

8. Що відбувається при травленні поверхні мікрошліфу металу.

9. Принцип роботи мікроскопа МІМ-7.

10. У чому перевага відображення структури мікрошліфа на екрані телевізора порівняно із розглядом через окуляр мікроскопу.

Лабораторна робота 5