министерство образования и науки российской федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Утверждаю

Проректор-директор ИФВТ
А.Н. Яковлев

«» 2012 г.

Егоров Ю.П., Ковалевская Ж.Г.
ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ И СТРУКТУРА ОЛОВЯННЫХ БРОНЗ


Методические указания к выполнению лабораторно-практической работы по дисциплине

«Конструкционные материалы» для студентов ЭНИН

Издательство

Томского политехнического университета

2012

УДК 669.35(075.8)

ББК 34.33я73

Е302
Егоров Ю.П., Ковалевская Ж.Г.

Е302 Диаграмма состояния и структура оловянных бронз: методические указания к выполнению лабораторно-практической работы по дисциплине «Конструкционные материалы» для студентов, обучающихся по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника». – Томск, Издательство Томского политехнического университета, 2012. –12 с.
УДК 669.35(075.8)

ББК 34.33я73

Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию

методическим семинаром кафедры «Материаловедение и технология металлов» ИФВТ «2» февраля 2012 г.

Зав. кафедрой МТМ

кандидат технических наук __________ А.Г. Мельников
Председатель учебно-методической

комиссии __________ Е.М. Князева

Рецензент

Кандидат технических наук

заведующий кафедрой «Материаловедение и технология металлов»

А.Г. Мельников
© ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, 2012
©


Егоров Ю.П., Ковалевская Ж.Г., 2012




ПРАКТИЧЕСКАЯ И ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ И СТРУКТУРА

ОЛОВЯННЫХ БРОНЗ
Цель работы

1. 
   Изучение диаграммы состояния и фазовых превращений сплавов системы Cu–Sn.
   
2. 
   Изучение микроструктуры оловянных бронз.
   

Оборудование и материалы

1. 
   Диаграмма состояния Cu–Sn.
   
2. 
   Металлографические микроскопы.
   
3. 
   Коллекция шлифов оловянных бронз.
   

---

Порядок выполнения практической и лабораторной работы

1. 
   Прочитать внимательно основные сведения по теме работы.
   
2. 
   Изучить диаграмму состояния Cu–Sn. Для сплава заданного состава описать все фазовые превращения, происходящие в нем при охлаждении.
   
3. 
   Изучить микроструктуру нескольких образцов, относящихся к различным классам оловянных бронз, определить к какому из названных классов относится каждый образец. Зарисовать схему микроструктуры рассмотренных образцов и обозначить на рисунках структурные составляющие.
   

Основные сведения по теме работы
Классификация и маркировка оловянных бронз
Оловянная или оловянистая бронза – это сплав меди и олова.

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. 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 и сохранившие свою форму.

По способу изготовления изделий все бронзы делятся на 2 группы:

1. Литейные, применяются для изготовления изделий литьём в заранее приготовленную форму. Оловянные бронзы обладают наименьшей усадкой среди всех известных в настоящее время сплавов.

2. Деформируемые, для изготовления изделий или заготовок методами горячей или холодной обработки давлением.

По назначению литейные бронзы исторически делятся на следующие группы:

1. 
   монетную и медальную – 2-5 % Sn;
   
2. 
   художественную – 5-7 % Sn;
   
3. 
   пушечную – 9-11 % Sn;
   
4. 
   колокольную – 20-23 % Sn;
   
5. 
   зеркальную – 28-30 % Sn;
   
6. 
   машиностроительную – 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).

---

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, БрОЦС 4-4-2 – бронза, содержащая 4 % олова, 4 % цинка, 2 % свинца, 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.
Диаграмма состояния сплавов системы Cu–Sn
Диаграмма состояния сплавов системы Cu–Sn имеет довольно сложное строение. 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 %). Поэтому ниже приводится часть диаграммы состояния сплавов системы Cu–Sn с содержанием Sn от 0 до 32 %, а также характеристики отдельных равновесных фаз, существующих в сплавах с данной концентрацией олова.




Рис. 1. Диаграмма состояния сплавов системы Cu–Sn

(пунктирная линия указывает состояние после литья в металлическую форму)
В равновесной системе имеются области следующих фаз.

Фаза  – однородный твердый раствор олова в меди; он имеет кубическую гранецентрированную решетку (ГЦК). Фаза  занимает область между левой вертикальной линией, соответствующей чистой меди, и равновесной кривой изменения растворимости олова от температуры.

Фаза  построена на базе химического соединения Сu₅Sn. Она имеет кубическую объемно-центрированную решетку (ОЦК) с неупорядоченным распределением атомов. Фаза  более богата оловом, чем -фаза: концентрация олова в фазе  от 22 до 25 %. Фаза  образуется по перитектической реакции при температуре 798 С. Боковые границы области -фазы идут наклонно вниз, сближаясь друг с другом

---

, и при 590 С -фаза подвергается эвтектоидному распаду, в результате которого образуется смесь кристаллов двух соседних с фазой  фаз  и .

Фаза  – это твердый раствор на основе химического соединения электронного типа Cu₃₁Sn₈ с 32,6 % Sn. Химическое соединение Cu₃₁Sn₈ называется -фазой. Фаза  образуется при кристаллизации из расплавленного состояния в сплавах, содержащих 30,6–58,6 % Sn, а в сплавах с содержанием от 28 до 30,6 % Sn образуется при 755 С по перитектической реакции: Ж + → + Ж. Область -твердого раствора суживается книзу, и при температуре 520 С фаза  подвергается эвтектоидному распаду, образуя смесь кристаллов двух соседних фаз:  и  (Cu₃₁Sn₈). На этом в реальных условиях кристаллизации и заканчиваются фазовые превращения в оловянных бронзах.

В условиях медленного охлаждении фаза  (Cu₃₁Sn₈) при температуре 350 С подвергается эвтектоидному распаду на смесь кристаллов  и  (Cu₃Sn).
Особенности формирования фаз и структуры в оловянных

бронзах при литье
В соответствии с диаграммой состояния бронза с 10 % Sn должна затвердевать в виде однофазного сплава, и при дальнейшем охлаждении из твердого раствора  должна выделяться ε-фаза (Cu₃Sn). В практических условиях обычной технологии литья структура формируется по-иному.

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 (например, при литье в металлическую форму) проходит на диаграмме в виде пунктирной вертикальной линии в температурном интервале от 0 до 798 С, 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 %).

Наряду с описанной выше особенностью, высокая скорость охлаждения сплава при литье затормаживает эвтектоидный распад фазы  (Cu₃₁Sn₈) на смесь -фазы и  (Cu₃Sn). Таким образом, в сплавах сохраняется фазовый состав, характерный для температуры 400 С.

---

Основываясь на диаграмме состояния, рассмотрим процесс кристаллизации и формирования структуры типовых оловянных бронз.

К однофазным сплавам относятся литейные бронзы с содержанием олова до 8 %. Процесс кристаллизации таких бронз протекает в одну стадию Ж → . В этом случае в процессе кристаллизации в сплаве формируется поликристаллическая структура, состоящая из зерен -фазы правильной полиэдрической формы. Травление специально подобранным травителем окрашивает -зерна в разные оттенки бронзового цвета. Структура однофазной бронзы представлена на рис. 2а.





в г
Рис. 2. Микроструктура оловянных литых бронз:

а – художественной; б – пушечной; в – колокольной; г – зеркальной
Оловянные бронзы с содержанием Sn более 8 % являются двухфазными и состоят из зерен -фазы и  (Cu₃₁Sn₈), как указано на диаграмме состояния (рис. 1). Однако, в зависимости от содержания олова, они имеют разную структуру.

При кристаллизации сплава с содержанием 26,8 % Sn, после нескольких фазовых превращений, сформировавшаяся при температуре 755 С однофазная структура (-фаза) распадается при температуре 520 С на эвтектоидную смесь зерен  +  (Cu₃₁Sn₈). На металлографических снимках эвтектоид наблюдается в виде голубых участков -фазы, в которых имеются темные вкрапления -фазы (рис. 2б, в, г).

В бронзах с содержанием Sn от 8 до 26,8 % первыми из жидкости выделяются зерна -фазы и формируют структурный каркас в виде полиэдрических зерен, если объемное содержание -фазы составляет менее 50 % (рис. 2б), или в виде дендритов, если объемное содержание -фазы превышает 50 % (рис. 2в). Оставшаяся часть жидкости, претерпевая все описываемые диаграммой состояния фазовые превращения, образует эвтектоид. Таким образом, все доэвтектоидные литые бронзы имеют структуру, состоящую из зерен -фазы и эвтектоида (рис. 2б, в).

В бронзах с содержанием Sn от 26,8 до 32,6 % формируется структура, характерная для заэвтектоидных сплавов. При охлаждении на границах зерен высокотемпературной -фазы первыми начинают образовываться зерна  (Cu₃₁Sn₈) в виде голубых прослоек. Оставшаяся -фаза при температуре 520 С превращается в эвтектоид, занимающий почти весь объем материала. Следовательно, все заэвтектоидные литые бронзы имеют структуру, состоящую из зерен эвтектоида и прослоек  (Cu

---

Смотрите также файлы

• Практических заданий по дисциплине арбитражный процесс.docx

• 2. Журналистика в координатах истории.docx

• Транспортировка больных и пострадавших.pptx

• Мектеп 12 мектеп.docx

• азастандаы паллиативті кмек. Хоспистер.docx