Материаловедение. Медь и ее сплавы

1. Материаловедение

Медь и ее сплавы
сделал:Солохин Ю.С
проверил:Баранова Н.Д

2.

Медь – металл красного (в изломе розового) цвета.
Тяжелый цветной металл (ρ = 8,89 г/см3) с ГЦК
решеткой (а = 0,36074 нм). Не имеет полиморфных
превращений. Обладает высокой электрической
проводимостью (на втором месте после серебра),
пластичностью, коррозионной стойкостью в пресной
и морской воде, а также в ряде химических сред.
Медь обладает отличной обрабатываемостью давлением в холодном и
горячем состоянии, хорошими литейными свойствами и удовлетворительной
обрабатываемостью резанием.
На воздухе при наличии влаги и углекислого газа медь медленно окисляется,
покрываясь пленкой так называемой «патины» зеленого цвета, которая
является щелочным карбонатом меди (CuOH)2CO3. Эта пленка защищает
медь от дальнейшей коррозии.
Медь и ее сплавы являются традиционными материалами, используемыми в
технике низких температур. Применение меди и ее сплавов обусловлено их
высокими характеристиками механических свойств при низких температурах,
хорошей коррозийной стойкостью и высокой теплопроводностью.

3.

Характеристики основных физико-механических свойств меди
Температура плавления Тпл, °С
1083
Предел прочности σв, МПа
мягкой меди (в отожженном состоянии)
190–215
твердой меди (в нагартованном состоянии)
280–360
Относительное удлинение δ, %
мягкой меди (в отожженном состоянии)
60
твердой меди (в нагартованном состоянии)
6
Твердость по Бринеллю НВ, МПа
мягкой меди (в отожженном состоянии)
45
твердой меди (в нагартованном состоянии)
110
Модуль сдвига G × 10–3, МПа
42–46
Модуль упругости Е × 10–3, МПа
117–135
Температура рекристаллизации, °С
180–300
Температура горячей деформации, °С
1050–750
Температура литья, °С
1150–1250
Линейная усадка, %
2,1

4.

Все примеси, особенно входящие в твердый раствор, снижают
электропроводность меди. Наиболее сильно уменьшают электропроводность
примеси P, As, Al, Sn. Вредными примесями, снижающими механические и
технологические свойства меди и ее сплавов, являются Bi, Pb, S и O. Свинец
и висмут ничтожно растворимы в меди и образуют по границам зерен
легкоплавкие эвтектики, что приводит к красноломкости. Сера и кислород
также нерастворимы в меди и образуют эвтектики Cu - Cu2S и Cu - Cu2O, но
красноломкость они не вызывают, так как их температура плавления (1067 °С
и 1065 °С соответственно) выше температур горячей обработки давлением.
Однако эти эвтектики весьма хрупкие, и их наличие даже в небольших
количествах приводит к снижению пластичности.
Особо вредной примесью является кислород, если медь нагревают в
атмосфере, содержащей водород. Атомы водорода быстро диффундируют
вглубь металла и восстанавливают оксид меди Cu2O + H2 = 2Cu + H2O. Пары
воды создают высокое давление, что приводит к вздутиям, разрывам и
трещинам. Это явление называется «водородной болезнью» меди.
Содержание вредных примесей в меди строго ограничено.

5.

Прочность меди может быть увеличена в результате холодной пластической
деформации с высоким обжатием (~ 60…70 %), что приводит к упрочнению до
уровня в= 450 МПа, но при этом сильно снижается пластичность ( 5 %).
Процесс скольжения при пластической деформации в кристаллах меди
развивается по плоскостям {111} в направлении <110>. После холодной
прокатки медь имеет простую основную текстуру {110} <112>. После
волочения вдоль проволоки преимущественным направлением будет <111>,
а также, но в меньшей степени, направление <100>.
При нагреве деформированной меди в области температур 130…150 °С
происходит явление полигонизации, сопровождающееся повышением
электропроводности за счет аннигиляции вакансий; при более повышенной
температуре наблюдается начало рекристаллизации. Температура этого
процесса тем ниже, чем выше была степень предшествующей пластической
деформации. В реальных условиях обработки меди рекристаллизационный
отжиг проводят при 300…350 °С. После рекристаллизации в меди
формируется кубическая текстура типа {100} <001>, степень совершенства
которой тем выше, чем больше была величина обжатия при предшествующей
холодной пластической деформации.

6.

Классификация сплавов на основе меди
Наиболее распространенные легирующие элементы в меди – Zn, Al, Sn, Fe,
Si, Mn, Be, Ni. Они повышают прочностные свойства меди.
Медные сплавы делятся на латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы.
Латунями называют сплавы меди, в которых главным легирующим
элементом является Zn. Их маркируют буквой Л и числами,
характеризующими среднее содержание легирующих элементов. Например,
латунь Л80 содержит 80 % Cu и 20 % Zn. Если латунь легирована, помимо
цинка, другими элементами, то после буквы Л ставят условное обозначение
этих элементов: С – Pb; О – Sn; Ж – Fe; А – Al; К – Si, Мц – Mn, Н – Ni. Числа
после букв указывают среднее содержание каждого легирующего элемента в
латуни, кроме цинка. Содержание цинка определяется по разности до 100%.
Например, латунь ЛАЖМц66-6-3-2 – 66 % Cu, 6 % Al, 3 % Fe, 2 % Mn и 23 %
Zn.
Бронзами называют все сплавы меди, кроме латуней и медно-никелевых
сплавов. По основным легирующим элементам их подразделяют на
оловянные, алюминиевые, бериллиевые, свинцовые, кремнистые и т. д.
Бронзы маркируют буквами Бр, затем указывают основные легирующие
элементы и их содержание в сплаве так же, как для латуней. Zn в бронзах
маркируют буквой Ц, фосфор – Ф, бериллий – Б, хром – X.
Например, бронза БрАЖМц10-3-1,5 – 10 % Al; 3% Fe; 1,5% Mn, остальное Cu.

7.

Латуни
Структура
и
свойства
латуней
определяются диаграммой состояния
Cu – Zn. В системе Cu – Zn имеется
пять перитектических превращений, в
результате которых образуются пять
фаз , , , и . Растворимость цинка
в меди очень велика и с понижением
температуры возрастает и составляет
32,5 % при 902 °С и 39 % при 454 °С. С
понижением температуры растворимость цинка в меди уменьшается (до
36 % при комнатной температуре).
Латуни
со
структурой
-фазы
пластичны,
отличаются
высокой
технологичностью, поддаются горячей
и холодной обработке давлением.
С увеличением содержания цинка возрастают прочность и относительное
удлинение. δ достигает максимального значения при 30…32 % Zn, а затем
когда появляется -фаза резко уменьшается. σв возрастает до 45…47 % Zn, но
как только -фаза полностью сменяет -фазу, оно резко снижается.

8.

Стабильная при высоких температурах, -фаза очень пластична, а
образующаяся из нее при охлаждении '-фаза с упорядоченной структурой,
наоборот, хрупка. Поэтому пластичность -латуней с '-структурой при
комнатной температуре очень мала, и при содержании около 50 % Zn и более
они не поддаются холодной обработке давлением. По указанным выше
причинам в промышленном масштабе применяют лишь - и ( + ) -латуни.
Микроструктура -латуней после деформации и отжига полиэдрическая с
большим количеством двойников; их в -латунях больше, чем в меди, из-за
более низкой энергии дефектов упаковки. Структура двухфазных латуней
представлена светлыми кристаллами -фазы и темными кристаллами фазы. Структура -латуней после отжига представлена полиэдрами -фазы.
Холодная деформация приводит к существенному повышению прочности
латуней при одновременном очень резком снижении пластичности. Отжиг
нагартованного металла при температурах выше 400 °С снимает наклеп.
Для улучшения свойств латуни дополнительно легируют Al, Mn, Fe, Ni, Sn, Pb,
Si, которые вводят в небольших количествах (1…2 %).
В промышленности применяют деформируемые и литейные латуни. Латуни
разделяют на простые, легированные только Zn, и специальные, которые
содержат дополнительно один или несколько элементов. Специальные
латуни называют по основному дополнительному элементу: алюминиевые,
кремнистые, марганцевые, никелевые, оловянные, свинцовые.

9.

Оловянные бронзы
В реальных условиях охлаждения оловянные бронзы
состоят из фаз и Cu31Sn8. Применяют только
сплавы с содержанием до 10…12 % Sn. Сплавы,
богатые Sn, очень хрупки. Оловянные бронзы имеют
большой интервал температур кристаллизации и
поэтому склонны к ликвации.
Различают деформируемые и литейные оловянные
бронзы. Деформируемые бронзы содержат 4…6 %
Sn, до 0,4 % Р, до 4 % Zn и до 2,5 % Pb. Они
предназначаются для пружин и пружинящих
деталей. Структура деформированных оловянных
бронз -твердый раствор.
Литейные бронзы, содержащие большое количество
цинка, фосфора и свинца, имеют двухфазную
структуру -твердый раствор и твердые, хрупкие
включения -фазы.
Бронзы обладают невысокой жидкотекучестью, малой линейной усадкой,
высокой коррозионной стойкостью и хорошими антифрикционными
свойствами.

10.

Алюминиевые бронзы могут быть как двойными (например, БрА5), так и
дополнительно легированными Ni, Mn, Fe и др. Бронзы, содержащие до
4…5 % Аl, характеризуются высокой пластичностью. При ускоренном
охлаждении сплавов с 6…8 % Аl в структуре наряду с пластичным -твердым
раствором алюминия в меди появляется твердая, хрупкая '-фаза (Сu32Аl19).
Поэтому двухфазные сплавы обладают более высокой прочностью, но
пониженной пластичностью по сравнению с однофазными. Алюминиевые
бронзы хорошо обрабатываются давлением, коррозионностойки, имеют
высокие
механические
свойства,
хорошие
литейные
свойства.
Многокомпонентные бронзы, содержащие > 9…11 % Аl, упрочняются закалкой
и старением. Алюминиевые бронзы прежде всего используются в качестве
заменителей оловянных. Из них изготавливают шестерни, втулки,
подшипники, пружины, детали электрооборудования.

11.

Бериллиевые бронзы обладают высокими механическими (в частности,
упругими) свойствами, стойкостью против коррозии и удовлетворительной
электро- и теплопроводностью, хорошо свариваются. Широко известны
бронзы, содержащие 1,6…2,6 % Bе, 0,2…0,5 % Ni, 0,1…0,25 % Тi (БрБ2;
БрБ2,5; БНТ-1,9, БНТ-1,7, цифры указывают содержание Be в %).
Бериллиевые бронзы упрочняются закалкой (760…800 °С) со старением
(300…350 °С, 2ч). В результате закалки фиксируется пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в меди. При этом бронза имеет
высокую пластичность ( = 30…40 %), невысокую прочность ( в = 450…560
МПа) и может подвергаться пластической деформации в закаленном
состоянии. При старении из пересыщенного -раствора выделяются
дисперсные частицы -фазы (СuВе). Бронзы БрБ2 и БрБ2,5 после закалки и
старения обладают высокой прочностью ( в = 1250…1300 МПа), но малой
пластичностью ( = 2…5 %). Промежуточная холодная пластическая
деформация обеспечивает дополнительное повышение прочности до в =
1400 МПа.
Имеются еще классы кремнистых, хромовых, циркониевых и др. бронз,
которые получили меньшее распространение.