Файл: Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине Материаловедение для студентов машиностроительных специальностей.doc

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 798С. Фаза  построена на базе химического соединения Сu₅Sn. 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  образуется при кристаллизации из расплавленного состояния: в сплавах с содержанием  28%-30,6% Sn по перитектической реакции при 755С, 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 520С подвергается эвтектоидному распаду, образуя смесь кристаллов двух соседних фаз  и  (химическое соединение Cu₃₁Sn₈ с 32,6% Sn, образующееся по перитектоидной реакции  +    при 600С). Фаза  также образуется по перитектоидной реакции  +  (Cu₃Sn)   при 640С. При 580С фаза  испытывает эвтектоидный распад:    +  (или Cu₃₁Sn₈ + Cu₃Sn).

Фаза  (Cu₃₁Sn₈) при температуре 350С подвергается также эвтектоидному распаду в смесь  +  (Cu₃Sn). Кроме перечисленных, в системе имеются еще фазы  и .

---

Фаза  образуется путем перитектической реакции при 415С в сплавах, содержащих  60% Sn.

Фаза  представляет собой твердый раствор меди в олове. Растворимость меди в олове при 227С  0,25%, при 186С  0,2%, при 0С  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 700-750С.

---

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 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%).
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. Рассчитать и подготовить шихту для 125 г отливки бронзы:

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:

1. 
   Маркировка бронз?
   
2. 
   Состав колокольной бронзы?
   
3. 
   Состав зеркальной бронзы?
   
4. 
   Состав художественной бронзы?
   
5. 
   Состав пушечной бронзы?
   
6. 
   Что такое фаза ?
   
7. 
   Что такое фаза ?
   
8. 
   Из каких фаз состоит эвтектоид в оловянной бронзе?
   
9. 
   Как влияет содержание олова на пластичность бронз?
   
10. 
    Как влияет содержание олова на прочность бронз?
    

ЛИТЕРАТУРА

1. 
   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.
   
2. 
   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

---