Файл: Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине Материаловедение для студентов машиностроительных специальностей.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.05.2024
Просмотров: 15
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Томский политехнический университет
____________________________________________________________
УТВЕРЖДАЮ
Декан факультета МСФ
________________Р.И. Дедюх
«_____» __________________ 2007 г.
ОЛОВЯННЫЕ БРОНЗЫ
Методические указания к выполнению лабораторной работы
по дисциплине «Материаловедение» для студентов машиностроительных специальностей
Факультет: Машиностроительный (МСФ)
Обеспечивающая кафедра: «Материаловедение и технология металлов»
Томск 2007
УДК 620.17: 620.19
Оловянные бронзы
Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Материаловедение» для студентов машиностроительных специальностей. – Томск: Изд-во ТПУ, 2007. – 10 с.
Составитель: доцент, к.т.н. Ю.П. Егоров
Рецензент: доцент, к.т.н. Фомин Н.И.
Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры «Материаловедение и технология металлов» «26» октября 2006 г.
Зав. кафедрой МТМ
доц., канд. техн. наук Ю.П. Егоров
Одобрено учебно-методической комиссией МСФ.
Председатель учебно-методической комиссии Н.А. Куприянов
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
ОЛОВЯННЫЕ БРОНЗЫ
I. Цель работы:
1.Изучить виды оловянных бронз, маркировку бронз.
2. Изучить диаграмму состояния Cu-Sn.
3. Выплавить образцы из оловянных бронз заданного состава.
4. Изучить влияние олова на структуру и свойства отливок.
II. ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Оборудование: Высокочастотная плавильно-закалочная установка ВЧГ-100, электронные весы, прессы Бринелля и Роквелла, маятниковый копер, шлифовально-полировальные станки “Нерис”, оптический микроскоп МИМ-7.
Материалы: кусковые отходы меди, олова, фосфористая медь, абразивная бумага, растворы кислот.
III. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Прочитать теоретическую часть данного пособия.
2. В соответствии с заданием выполнить расчет шихты и выплавить образцы из оловянных бронз заданного состава.
3. Определить влияние олова на структуру и свойства оловянных бронз.
4. Написать отчет.
IV. ОЛОВЯННЫЕ БРОНЗЫ
4.1. Классификация и маркировка бронз.
Бронзами называют сплавы меди с различными элементами за исключением цинка, марганца и никеля. Сплавы меди с цинком, марганцем и никелем называют соответственно латунями, манганинами и мельхиорами.
Бронзы могут содержать несколько элементов и тогда их называют многокомпонентными с добавлением названия основного легирующего элемента. Например, бронзы алюминиевые, свинцовистые, оловянные и др.
Маркируются бронзы буквами Бр, после которых следуют буквы, обозначающие присутствие в сплаве основных легирующих элементов. Например, О – олово, С – свинец, Ц – цинк, Н – никель, Ж – железо и т.д. Цифры, следующие за буквами, указывают количество соответствующего легирующего элемента в процентах. В марках деформируемых бронз сначала помещают буквы, обозначающие легирующие элементы, а затем числа, указывающие их содержание. Например, БрАЖН 9-4-2 – бронза, содержащая 9% алюминия, 4% железа, 2% никеля, остальное – медь. В марках литейных бронз после каждой буквы указывается содержание этого легирующего элемента. Например, БрО5С5Н2 – бронза, содержащая 5% олова, 5% свинца, 2% никеля, остальное – медь.
Оловянные бронзы относятся к наиболее известным, давно и широко применяемым бронзам. В древности из бронзы изготавливали различные виды оружия, хозяйственные орудия, украшения, статуи, различные религиозные изображения. В начале новой эры оловянная бронза широко применялась для отливки колоколов, а с шестнадцатого века – для отливки пушек.
С развитием машиностроения бронза стала одним из важных металлических материалов для изготовления литых и деформируемых деталей различных машин, станков, приборов. В настоящее время оловянные бронзы, несмотря на появление безоловянных бронз и специальных сплавов на цинковой основе, продолжают играть важную роль. Одно из самых ценных свойств оловянных бронз – чрезвычайно высокая стойкость против коррозии. Во многих исторических музеях мира хранятся извлеченные из земли при раскопках бронзовые предметы, отлитые 5 тысячелетий назад.
По способу изготовления все бронзы делятся на 2 группы:
1. Литейные, применяются для изготовления изделий литьём в заранее приготовленную форму.
2. Деформируемые, для изготовления изделий или заготовок методами горячей или холодной обработки давлением.
По назначению литейные бронзы можно разделить на следующие группы:
1. пушечную – 9-11% Sn;
2. колокольную – 20-23% Sn;
3. художественную – 5-7% Sn;
4. зеркальную – 28-30% Sn;
5. монетную и медальную – 2-5% Sn;
6. машинную – до 10% Sn + дополнительное легирование Zn, Pb, Ni, P и др.
Литейные и деформируемые оловянные бронзы могут быть простыми, состоящими только из меди и олова, и сложными, многокомпонентными, в состав которых кроме меди и олова, входят и другие компоненты (цинк, никель, свинец, фосфор).
4.2. Диаграмма состояния сплавов системы Cu-Sn.
Диаграмма состояния приведена на рис. 1 и имеет довольно сложное строение.
Рис. 1. Диаграмма состояния сплавов системы Cu-Sn
В равновесной системе имеются области следующих фаз.
Фаза – однородный твердый раствор олова в меди, занимающий область между левой вертикальной линией, соответствующей чистой меди, и равновесной кривой изменения растворимости олова от температуры.
Фаза образуется по перитектической реакции при температуре 798С. Фаза построена на базе химического соединения Сu5Sn. Боковые границы области -фазы идут наклонно вниз, сближаясь друг с другом, и при 590С -фаза подвергается эвтектоидному распаду, в результате которого образуется смесь кристаллов двух соседних с фазой фаз и .
Фаза образуется при кристаллизации из расплавленного состояния: в сплавах с содержанием 28%-30,6% Sn по перитектической реакции при 755С, а в сплавах, содержащих 30,6%-58,6% Sn, – непосредственно при кристаллизации из расплава. Фаза – это твердый раствор на основе химического соединения электронного типа Cu31Sn8 (фазы ).
Область -твердого раствора, суживаясь книзу, при температуре 520С подвергается эвтектоидному распаду, образуя смесь кристаллов двух соседних фаз и (химическое соединение Cu31Sn8 с 32,6% Sn, образующееся по перитектоидной реакции + при 600С). Фаза также образуется по перитектоидной реакции + (Cu3Sn) при 640С. При 580С фаза испытывает эвтектоидный распад: + (или Cu31Sn8 + Cu3Sn).
Фаза (Cu31Sn8) при температуре 350С подвергается также эвтектоидному распаду в смесь + (Cu3Sn). Кроме перечисленных, в системе имеются еще фазы и .
Фаза образуется путем перитектической реакции при 415С в сплавах, содержащих 60% Sn.
Фаза представляет собой твердый раствор меди в олове. Растворимость меди в олове при 227С 0,25%, при 186С 0,2%, при 0С 0,05%.
Так как в современной технике по экономическим, технологическим и конструкционным соображениям применяются бронзовые сплавы с относительно малым содержанием олова (обычно не выше 10-12% и очень редко выше 20%), то в приводимой ниже характеристике отдельных равновесных фаз можно ограничиться только теми из них, которые встречаются в сплавах с содержанием Sn от 0 до 40%.
Фаза представляет собой твердый раствор олова в меди; он имеет кубическую гранецентрированную решетку с параметрами от = 3,608 А до = 3,695 А (в зависимости от состава сплава). Кристаллы -фазы, находящиеся в равновесном состоянии (после длительного гомогенизирующего отжига), – самые пластичные по сравнению с кристаллами других фаз. Они хорошо выдерживают холодную обработку давлением при содержании в них олова до 12%. В то же время структура литой оловянистой бронзы, не подвергнутой гомогенизирующему отжигу, выдерживает холодную обработку давлением без дефектов только тогда, когда содержание в ней олова не превышает 8%. Негомогенизированные бронзы плохо поддаются обработке давлением (прессованием) в горячем состоянии.
Горячую прокатку выдерживают бронзы, содержащие не выше 4% Sn.
Фаза более богата оловом, чем -фаза: максимальная концентрация Sn в фазе от 22 до 25%. Фаза имеет кубическую объемно-центрированную решетку с неупорядоченным распределением атомов. Чисто меднооловянные сплавы, содержащие до 20% Sn и выше, но не содержащие легкоплавких эвтектик, образуемых примесями, обнаруживают ковкость и прокатываемость в горячем состоянии. После гомогенизирующего отжига они обладают небольшой ковкостью даже в холодном состоянии. Анализы состава древних бронз Египта показывают, что клинки мечей в бронзовом веке содержали олова от 9 до 15% Sn, проволока – от 7 до 12%, а тонкие листы – от 7 до 12-15%.
Народы древнего мира не имели прокатных станов, и потому листовой материал они могли получать из слитков только путем проковки последних.
Сделать эти бронзы более ковкими в холодном состоянии, зафиксировав в них структуру + , можно путем закалки с температур 700-750С.
Все фазы: , , (особенно и ), построенные на базе химических соединений, – а с ними и промежуточная фаза с ее чрезвычайно сжатой областью существования, очень твердые и хрупкие. Появление кристаллов этих фаз в структуре технических бронз совместно с кристаллами -фазы в виде мелкокристаллической смеси значительно снижает пластичность и вязкость сплавов, делает их хрупкими.
Благодаря малой скорости диффузии олова в меди при быстром переходе бронзовых сплавов из жидкого состояния в твердое, атомы олова не успевают занять все узлы в атомной решетке развивающихся центров кристаллизации в соответствии с равновесной диаграммой состояния. В результате этого образующиеся кристаллы твердого раствора содержат олова значительно меньше того, что полагается по равновесной диаграмме.
Кривая изменений пределов растворимости олова в меди для случаев быстро протекающего процесса кристаллизации проходит на диаграмме в виде пунктирной вертикальной линии в температурном интервале от 0 до 798С, исходящей из точки на оси концентраций, соответствующей примерно 8% Sn.
Такое расположение кривой указывает на то, что предел растворимости олова в меди в твердом состоянии в этих условиях остается постоянным ( 8%).
4.3. Механические свойства сплавов системы Cu-Sn.
Механические свойства медно-оловянистых сплавов в зависимости от содержания олова приведены на рис. 2. Из рисунка следует, что максимальной пластичностью обладают оловянные бронзы с однофазной структурой -твердого раствора олова в меди, а максимальной прочностью – с двухфазной.
Рис. 2. Механические свойства литых оловянных бронз
в зависимости от содержания олова
Задание для выполнения работы
1
а) художественной – 5% Sn;
б) пушечной – 10% Sn;
в) колокольной – 20% Sn;
г) зеркальной – 30% Sn.
2. На высокочастотной плавильно-закалочной установке ВЧГ-100 в графитовом тигле провести выплавку требуемой бронзы с последующей заливкой в металлическую форму (кокиль).
3. Определить влияние олова на структуру и свойства полученных образцов бронзы.
4. Результаты металлографического анализа и механических испытаний внести в таблицу 1 и построить графическую зависимость твердости и ударной вязкости от содержания олова.
Табл. 1
N п/п | Вид бронзы | Sn,% | Ударная вязкость, МДж/м2 | Твердость, НВ | Структура(рисунок) |
1 | художественная | | | | |
2 | пушечная | | | | |
3 | колокольная | | | | |
4 | зеркальная | | | | |
Содержание отчета
1. Наименование и цель работы.
2. Оборудование и материалы, используемые в работе.
3. Описание эксперимента, рисунки и графики.
4. Анализ микроструктуры и графических зависимостей, выводы по проделанной работе.
Вопросы для входного контроля:
-
Маркировка бронз? -
Состав колокольной бронзы? -
Состав зеркальной бронзы? -
Состав художественной бронзы? -
Состав пушечной бронзы? -
Что такое фаза ? -
Что такое фаза ? -
Из каких фаз состоит эвтектоид в оловянной бронзе? -
Как влияет содержание олова на пластичность бронз? -
Как влияет содержание олова на прочность бронз?
ЛИТЕРАТУРА
-
Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин, Н.М. Рыжов, В.И. Силаева. Материаловедение: учебник для вузов. – 6-е изд., стереотип. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. – 648 с. -
Сучков Д.И. Медь и ее сплавы. – М.: Металлургия, 1967 – 247 с.
ОЛОВЯННЫЕ БРОНЗЫ
Методические указания
Составитель: Ю. П. Егоров
Подписано к печати
Формат 60х84/16. Бумага офсетная.
Печать RISO. Усл. печ. л. 0,58. Уч.-изд. л. 0,53.
Тираж 100 экз. Заказ . Цена свободная.
Издательство ТПУ. 634034, Томск, пр. Ленина, 30