Особенности кристаллографической структуры металлов и сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Одной из наиболее важных задач, стоящих в настоящее время перед учеными и специалистами, является задача создания сверхматериалов с заданными свойствами, точного предсказания их поведения в экстремальных условиях, установления ресурса работы материалов и тому подобное. Решение этой и других, не менее важных задач, например, связанных с электронной техникой, невозможно без глубокого освоения и дальнейшего развития кристаллографии, для чего необходима подготовка специалистов-физиков, вооруженных знаниями не только своего предмета, но и смежных наук.

В связи с тем, что моя будущая профессия связана с материалами, я изучаю курс по кристаллографии. И темой курсовой по этому предмету я выбрала «Кристаллографическую структуру», так как я заинтересовалась внутренним строением кристаллов и практическим их применением. В своей работе я использовала следующие термины.

Металлография -- это металлургическая дисциплина о структурах различных металлов и сплавов и закономерностях структурообразования.

Кристаллография - фундаментальная наука об атомном строении, образовании и физических свойствах кристаллов. Эти три аспекта рассматриваются вместе как единая комплексная проблема. Кристаллографию делят на геометрическую кристаллографию, которая изучает внешнее и внутреннее строение кристаллов, химическую кристаллографию(кристаллохимию, или структурную химию) и физическую кристаллографию (кристаллофизику).

Кроме того, в задачи кристаллографии входит всестороннее исследование свойств кристаллического вещества, три из которых наиболее важные:

· описание и классификация кристаллов;

· определение вещества по формам (внешней огранке) кристаллов;

· изучение строения вещества.

Текстура -- преимущественная ориентация зерен кристаллических решеток в поликристалле. Текстура характеризуется ориентировкой направления и плоскости кристалла в теле. Первая ориентировка называется осью текстуры, а вторая - плоскостью текстуры.

1. Суть и история вопроса

Металлография не охватывает всего разнообразия свойств металлов и если в учебнике приведены некоторые из них, то только в целях более полной иллюстрации структурных превращений.

Металлография развивалась главным образом на базе производственного опыта и таких наук, как физическая химия и структурный анализ. В данном учебнике основное внимание уделено диаграммам фазового равновесия и закономерностям структурообразования. Основоположниками металлографии являются инженеры П.П. Аносов (1799--1851) и Д. К. Чернов (1839--1921).

Великий русский металлург Павел Петрович Аносов на Златоустовском заводе впервые (в 1831 г.) применил микроскоп для исследования структуры металлов. Ему принадлежит приоритет в создании легированных сталей. Он разработал теорию и технологию изготовления клинков из булатной стали. Из его работ стало ясно, что так называемый булатный узор на поверхности стали зависит непосредственно от ее структуры во всем объеме.

Исключительно велико значение работ Дмитрия Константиновича Чернова, всемирно признанного отцом металлографии. В 1868 г. Д. К Чернов впервые указал на превращения в твердой стали при определенных температурах, сопровождающиеся тепловыми эффектами. В дальнейшем Д.К. Чернов высказал предположение, что эти превращения аллотропические. Впоследствии это было подтверждено рентгеноструктурным анализом. Изображенная графически зависимость температуры этих превращений и плавления стали от содержания в ней углерода, которая была найдена Д.К. Черновым по цветам каления, явилась прототипом диаграммы равновесия Fe --С.

В работах по кристаллизации стали и строению слитка (1878) Д.К. Чернов изложил основные идеи теории затвердевания, не утратившие научногои практического значения и в настоящее время.

Основные законы фазового равновесия, в частности правило фаз, изложил в 1873--1876 гг. Гиббс, основываясь на законах термодинамики. Его работы были представлены в столь малодоступной форме, что только через 10 лет (в 1883 г.) они нашли применение и дальнейшее развитие в трудах голландских ученых Ван-дер-Ваальса и Розебома. В 1893 г. Ван Рейн ван Алькемаде показал, что из законов Гиббса о минимуме термодинамического потенциала можно вывести все типовые диаграммы равновесия, не прибегая дополнительно ни к каким другим допущениям. Работы Ван Рейн ван Алькемаде послужили прочной основой для металлографии фазового равновесия двухкомпонентных систем. В 1897 г. английский ученый Ро-бертс-Аустен на основе собственных опытов и данных Д.К. Чернова впервые построил диаграмму фазового равновесия Fe -- С. В последующие годы эту диаграмму изучали многие ученые, как русские (Н.М. Гутовский, П.Я. Сальдау, Н.П. Чижевский, Н.М. Витторф), так и зарубежные (Герене, Осмонд, Розебом и др.).

Работы по построению диаграмм равновесия других систем в значительной степени были облегчены в результате создания Н.С. Курнаковым и его последователями физико-химического анализа, основы которой были заложены великим русским химиком Д.И. Менделеевым в 60--70-е годы XIX столетия.

В процессе исследований были обнаружены многие ранее неизвестные фазы в металлических сплавах. В отличие от препаративного химического анализа в физико-химическом анализе обнаружение новой фазы не связано с ее выделением из сплава и определением ее состава в изолированном состоянии.

Над построением и созданием диаграмм равновесия много работали Тамман и его ученики. Последовательное описание фазового равновесия систем из трех компонентов появилось в публикации Мазинга (1933), ученика Таммана.

Таким образом, металлография, термодинамика и физическая химия вместе взятые представляли собой стройное учение о фазовом равновесии металлических систем, составляющее значительную часть современной металлографии.

Для решения практических задач металлографии необходимо знать не только фазовое равновесие той или иной конкретной системы. Обязательно знание структуры сплавов в широком смысле этого слова, атомного строения фаз, составляющих сплав, а также распределения, размера и формы кристаллов каждой фазы, т. е. всего, что характеризует структуру.

Определение атомного строения фаз стало возможным после открытия Лауэ (1912), показавшего, что атомы в кристалле регулярно заполняют пространство, образуя пространственную решетку, и что рентгеновские лучи имеют волновую природу.

2. Кристаллическая структура

2.1 Строение кристаллов

Кристаллическая структура - расположение атомов кристаллического вещества в пространстве. Наиболее характерное свойство кристаллической структуры - трехмерная периодичность. Обычно, говоря о кристаллической структуре, подразумевают среднее во времени расположение атомных ядер (так называемую статическую модель); более полная информация включает сведения об амплитудах и частотах колебаний атомов (динамическую модель), а также о распределении электронной плотности в межъядерном пространстве. Изучение кристаллической структуры и их связи со свойствами веществ составляет предмет кристаллохимии.

Идеальный кристалл можно представить как периодически повторяющиеся в пространстве одинаковые элементарные структурные единицы - элементарные ячейки кристалла. Элементарная ячейка в общем случае имеет форму косоугольного параллелепипеда. Все расположенные в ней атомы принято называть базисом элементарной ячейки кристалла. Отметим отличие терминов кристаллическая решетка и кристаллическая структура. Кристаллическая решетка - это математическая абстракция - регулярное расположение точек в пространстве. Тогда как кристаллическая структура или просто кристалл - это физический объект, в котором с каждой точкой решетки связан базис - группа атомов или молекул.

Закономерности строения элементарной ячейки и базиса, в частности степень их симметричности, определяет многие свойства кристалла, в первую очередь электрические, магнитные и механические.

Наиболее простой кристаллической решеткой у металлов является кубическая, имеющая две разновидности: кубическую объемно-центрированную (ОЦК) и кубическую гранецентрированную (ГЦК). У обоих типов этих решеток основу ячеек составляют восемь атомов, образующих куб и находящихся в его вершинах. Остальные атомы находятся или в центре объема куба (1 атом на пересечении диагоналей в решетке ОЦК), или в центре каждой из его граней (6 атомов в решетке ГЦК). Кристаллические решетки ОЦК имеют альфа-железо, хром, ванадий, вольфрам и другие металлы. Решетку ГЦК имеют гамма-железо, алюминий, медь, никель и др. металлы. Другой разновидностью кристаллических решеток у металлов является гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ). Ячейка этой решетки представляет собой шестигранную призму с центрированными основаниями, между которыми на некотором расстоянии от центров трех граней расположены еще три атома. ГПУ решетку имеют магний, цинк, бериллий и другие металлы (рис. 1).

Плоскости, параллельные координатным плоскостям, находящиеся на расстоянии а, в, с, разбивают кристалл на множество параллелепипедов, равных и параллельно ориентированных. Наименьший параллелепипед называютэлементарной ячейкой. Вершины параллелепипеда называют узлами пространственной решетки. Размер элементарной ячейки оценивают отрезками а, в, с. Их называют периодами решетки. Дополнительными характеристиками кристаллической решетки являются координационное число и коэффициент компактности.

Рис. 1. Кристаллические решетки: а) кубическая объемно-центрированная (ОЦК), б) кубическая гранецентрированная (ГЦК), в) гексагональная плотноупакованная (ГПУ)

Кристаллическую решетку определяют три базисных вектора a , b и c (рис. 1(a) таких, что любая трансляция на вектор:

переводит кристаллическую решетку саму в себя (, и - целые числа). Вектор T называют вектором трансляции. Таким образом, всю структуру кристалла можно получить трансляцией элементарной ячейки, осуществляя параллельные переносы на векторы T.

2.2 Решетки Браве

Решетка Браве является математической моделью, отражающей трансляционную симметрию кристалла. Все многообразие кристаллов может быть описано с помощью 14 типов кристаллических решеток -решеток Браве. Их принято группировать в семь систем - сингоний, различающихся видом элементарной ячейки: триклинную, моноклинную, ромбическую, тетрагональную, тригональную, гексагональную и кубическую.

Понятие решетки Браве связано с основными трансляционными векторами. Основным трансляционным вектором называется минимальный в данном направлении вектор перехода из данной точки в ближайшую эквивалентную. В трехмерном случае таких некомпланарных векторов будет три (обозначим , , ). Задав нулевую точку, можно построить совокупность точек по правилу:

где ? произвольные целые числа. Получившаяся решетка - решетка Браве.

Рис. 2. Решётки Браве

2.3 Индексы Миллера

Индексы Миллера -- индексы, с помощью которых принято описывать расположение атомных плоскостей кристаллической решетки.

Для определения индексов Миллера необходимо:

найти точки пересечения плоскости кристаллической решетки с осями координат;

перевести результат в единицы постоянных решетки , , ;

взять обратные значения полученных чисел и привести их к наименьшему целому, кратному каждого из чисел.

Результат, заключенный в круглые скобки (), и представляет собой индексы Миллера данной плоскости кристалла.

Например, если плоскость пересекает оси в точках с координатами 1, 2, 3 (рис. а), то обратные им числа будут 1, 1/2, 1/3, а наименьшие целые числа, имеющие те же отношения, соответственно 6, 3, 2, т. е. индексы Миллера для этой плоскости -- (632). Если плоскость параллельна одной из осей, то точка пересечения с этой осью принимается за бесконечность, а соответствующий индекс -- за ноль. Если плоскость пересекает ось в области отрицательных значений, то соответствующий индекс будет отрицательным. Для указания этого над индексом помещается минус: (). В качестве примера на рис. б приведены индексы Миллера некоторых наиболее важных плоскостей кубического кристалла.

Рис. 3. а) -- Заштрихованная плоскость перескает оси , , в точках 1, 2, 3. Индексы Миллера этой плоскости (632), Б) -- Индексы Миллера нескольких важных плоскостей кубического кристалла

2.4 Симметрия кристаллической решетки

Наиболее распространенные свойства симметрии макроскопических тел заключается в симметрии расположения частиц в них.

Наивысшей симметрией обладают изотропные тела - тела, свойства которых по всем направлениям одинаковы; сюда относятся газы и жидкости (и аморфные твердые тела). Очевидно, у такого тела для каждой частицы все ее положения в пространстве во всяком случае должны быть равновероятными, то есть функция плотности должна быть постоянна ?=const.

Напротив, в анизотропных твердых кристаллах функция плотности отнюдь не сводится к постоянной. Она представляет собой в этом случае трояко-периодическую функцию (с периодами, равными периодам кристаллической решетки) и имеет резкие максимумы в точках, соответствующих узлам решетки. <…> Узлы, которые могут быть совмещены друг с другом путем какого-либо преобразования симметрии, называют эквивалентным.

2.5 Анизотропия кристаллов

В отличие от аморфных тел и жидкостей в кристаллах существует дальний порядок в расположении атомов твердого тела. Атомы в этом случае располагаются в узлах правильной пространственной сетки (кристаллической решетки). Для любого направления в пространстве А, В, С, D, Е, ..., проходящего через центры атомов, расстояние между центрами двух соседних атомов остаются неизменными вдоль всей прямой, но отличаются для различных прямых. В соответствии с этим физические свойства (упругие, механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические и др. будут, вообще говоря, разными по различным направлениям. Неодинаковость свойств кристалла в различных направлениях называют анизотропией.

Рис. 4. Анизотропия кристаллов

Так, в решетке не только сжимаемость, но и теплопроводность, и линейное тепловое расширение, и электропроводность, и все другие свойства будут различны вдоль горизонтальных (ОА), вертикальных (ОЕ) и любых других направлений.

Физически это объясняется следующим образом. Если провести через узлы решетки плоскости в разных направлениях , то видно, что густота расположения атомов на этих плоскостях различна. В кристалле, следовательно, существуют плоскости, различным образом “населенные” атомами. Этим и объясняется анизотропия кристаллов - наиболее характерное их свойство.

Как было отмечено ранее, каждый кристалл ограничен плоскими гранями, образующими между собой углы, величина которых свойственна только данному виду кристалла (закон Роме де Лилля). Грани эти как раз и представляют собой те плоскости, в которых частицы размещены с наибольшей плотностью, так как при росте кристалла именно к этим плоскостям, а не к другим, преимущественно присоединяются новые атомы. Разумеется, в наиболее плотно заполненных атомами плоскостях атомы сильнее всего связаны друг с другом, так как здесь взаимные расстояния между ними относительно меньше, а значит больше сила притяжения.

3. Деформации металлов

Приложение внешних сил к твердому телу вызывает изменение его формы и размеров, что сопровождается изменением расстояния между отдельными материальными точками, составляющими данное тело, или же изменением размеров и формы элементарных объемов, на которые можно разделить рассматриваемое твердое тело.

Для оценки величины формоизменения вводят понятие деформации. Различают деформации линейные, угловые, поверхностные и объемные. Указанные деформации, в свою очередь, разделяются на абсолютные, относительные и логарифмические. Эти виды деформаций могут относиться как к элементарному объему, выделенному в твердом теле, так и ко всему телу.

Если деформация, вызванная внешними силами, исчезает при прекращении действия внешних сил и тело полностью восстанавливает свои исходную форму и размеры, то такую деформацию называют упругой деформацией.

Если при прекращении действия внешних сил тело не полностью восстанавливает свои исходные форму и размеры, то такую деформацию называют пластической (остаточной).

Как упругая, так и пластическая деформация происходят без разрушения деформируемого тела или отдельных его участков, то есть без нарушения сплошности. Пластической деформации всегда сопутствует упругая, исчезающая при снятии внешнего усилия.

Способность тела получать пластические деформации называют пластичностью. Пластичность можно оценивать максимальной величиной пластической деформации, которую можно получить без разрушения деформируемого тела. Пластичность зависит от условий деформирования, и ее следует рассматривать не как свойство какого-либо материала, а как его состояние.

Расстояния между атомами в твердых телах устанавливаются
в результате силового взаимодействия между ними. Между атомами действуют силы притяжения и отталкивания, и величина межатомных расстояний определяется условием равенства этих сил (рисунок 1). Это соответствует минимуму потенциальной энергии. Схематично можно считать, что изменение сил отталкивания и притяжения происходит
с разной интенсивностью. Увеличение межатомного расстояния по сравнению с расстоянием а приводит к тому, что сила притяжения Рпр по абсолютной величине становится больше силы отталкивания Рот, и, следовательно, для удаления атомов от положения равновесия требуется приложить внешнюю, как бы растягивающую силу. И наоборот, при х < а для уравновешивания избыточной силы отталкивания необходимо приложить внешние, как бы сжимающие силы.

Силовое взаимодействие атомов в твердом теле намного сложнее, так как каждый атом окружен атомами, расположенными в трехмерном пространстве, и находится в силовом взаимодействии не с одним, а со значительным количеством атомов.

И упругая, и пластическая деформации могут осуществляться путем относительного смещения атомов. При упругой деформации величина смещения атомов из положений равновесия не превышает расстояния между соседними атомами. При достижении определенного предела потенциальной энергии атомы получают возможность смещаться на расстояния большие, чем межатомные. В этом случае после снятия внешних усилий атомы не возвращаются в свои исходные положения равновесия, а занимают новые положения равновесия. Сумма смещений атомов в новые положения равновесия создает пластическую деформацию или же остаточное изменение формы и размеров твердого тела в результате действия внешних сил.

Для того чтобы смещение атомов в новые положения равновесия не приводило к нарушению сплошности, необходимо, чтобы атомы не удалялись на расстояния большие, чем размеры зоны активного действия сил взаимного притяжения атомов.

Под нагрузкой атомы всегда смещены из положения равновесия. Отсюда следует, что в условиях пластического деформирования общая (полная) деформация содержит как необратимую пластическую составляющую, так и обратимую упругую, исчезающую после снятия внешней нагрузки. Это есть закон наличия упругой деформации при пластическом деформировании.

Так как при снятии внешней силы после пластического деформирования атомы стремятся занять новые положения равновесия и установить исходные межатомные расстояния, пластическая деформация не может приводить к сколько-нибудь заметному изменению объема деформируемого тела.

Рис. 5. Действие сил между атомами

4. Электротехническая сталь

Наибольшее применение в электротехнике получила листовая электротехническая сталь. Эта сталь является сплавом железа с кремнием, содержание которого в ней 0,8 - 4,8%. Такие стали, в которые вводятся в малом количестве какие-либо вещества для улучшения их свойства, называются легированными.

Кремний вводится в железо в виде ферросилиция (сплав сислицида железа FeSi с железом)и находится в нем в растворенном состоянии. Кремний реагирует с наиболее вредной (для магнитных свойств железа) примесью - кислородом, восстанавливая железо из его окислов FеО и образуя кремнезем SiO2, который переходит частично в шлак. Кремний также способствует выделению углерода из соединения Fе3С (цементит) с образованием графита. Таким образом, кремний устраняет химические соединения железа (FеО и Fе3С), которые вызывают увеличение коэрцитивной силы и увеличивают - потери на гистерезис. Кроме того, наличие кремния в железе в количестве 4 % и более увеличивает удельное электрическое сопротивление по сравнению с чистым железом, в результате чего уменьшаются потери на вихревые токи.

Выплавляется электротехническая сталь в мартеновских печах. Листы изготовляют прокаткой стального слитка в холодном или горячем состоянии. Поэтому различают холодно- и горячекатаную электротехническую сталь.

Железо имеет кубическую кристаллическую структуру. По исследованию намагничивания оказалось, что оно может быть неодинаково по различным направлениям этого куба. Наибольшим намагничиванием кристалл обладает в направлении ребра куба, меньшим - по диагонали грани и самым малым - по диагонали куба. Поэтому желательно, чтобы все кристаллики железа в листе выстроились в процессе прокатки в ряды по направлению ребер куба.

Это достигается повторными прокатками листов стали, с сильным обжатием (до 70%) и последующим отжигом в атмосфере водорода. Это способствует очищению стали от кислорода и углерода, а также укрупнению кристаллов и ориентировке их таким образом, чтобы ребра кристаллов совпадали с направлением прокатки. Такие стали называются текстурованными. У них магнитные свойства по направлению прокатки выше, чем у обычной горячекатаной стали.

Листы текстурованной стали изготовляются холодной прокаткой. Магнитная проницаемость их выше, а потери на гистерезис меньше, чем у горячекатаных листов. Кроме того, у холоднокатаной стали индукция в слабых магнитных полях возрастает сильнее, чем у горячекатаной, т. е. кривая намагничивания в слабых полях располагается значительно выше кривой горячекатаной стали.

Рис. 6. Процесс производства листовой электротехнической стали

Следует, однако, отметить, что в результате ориентировки зерен текстурованной стали по направлению прокатки магнитная проницаемость по другим направлениям меньше, чем у горячекатаных. Так, при индукции 6 = 1,0 тл в направлении прокатки магнитная проницаемость мм=50000, а в направлении перпендикулярно прокатке мм - 5500. В связи с этим при сборке Ш-образных сердечников трансформаторов применяют отдельные полосы стали, вырезанные вдоль прокатки, которые затем шихтуют так, чтобы направление магнитного потока совпадало с направлением прокатки стали или составляло бы с ним угол 180°.

На рис. 7 приведены кривые намагничивания электротехнических сталей ЭЗЗОА и Э41 для трех диапазонов напряженностей магнитного поля: 0 - 2,4, 0 - 24 и 0 - 240 а/см.

Рис. 7. Кривые намагничивания электротехнических сталей: а - сталь Э330А (текстурированная), б - сталь Э41 (нетекстурированная)

Электротехническая листовая сталь обладает хорошими магнитными характеристиками - высокой индукцией насыщения, малой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис. Благодаря этим свойствам она широко используется в электротехнике для изготовления сердечников статоров и роторов электрических машин, сердечников силовых трансформаторов, трансформаторов тока и магнитопроводов различных электрических аппаратов.

Отечественная электротехническая сталь различается по содержанию в ней кремния, по способу изготовления листов, а также по магнитным и электрическим свойствам.

Буква Э в обозначении стали означает "электротехническая сталь", первая за буквой цифра (1, 2, 3 и 4) означает степень легирования стали кремнием, причем содержание кремния находится в следующих пределах в %: для слаболегированной стали (Э1) от 0,8 до 1,8, для среднелегированной стали (Э2) от 1,8 до 2,8, для повышеннолегированной стали (ЭЗ) от 2,8 до 3,8, для высоколегированной стали (Э4) от 3,8 до 4,8.

Буква Э в обозначении стали означает "электротехническая сталь", первая за буквой цифра (1, 2, 3 и 4) означает степень легирования стали кремнием, причем содержание кремния находится в следующих пределах в %: для слаболегированной стали (Э1) от 0,8 до 1,8, для среднелегированной стали (Э2) от 1,8 до 2,8, для повышеннолегированной стали (ЭЗ) от 2,8 до 3,8, для высоколегированной стали (Э4) от 3,8 до 4,8. Буква А указывает на особо низкие удельные потери при перемагничивании стали.

Электротехническая сталь выпускается в виде листов шириной от 240 до 1000 мм, длиной от 720 до 2000 мм и толщиной 0,1, 0,2, 0,35, 0,5 и 1,0 мм. Наибольшее применение имеют текстурованные стали, поскольку они обладают наибольшими значениями магнитных характеристик.

Рис. 8. Электротехническая сталь

5. Термическая обработка цветных сплавов

5.1 Термическая обработка меди и латуни

трансляционный кристаллический анизотропия

Медь.

Это наиболее распространенный в технике и промышленности цветной металл, обладающий высокой пластичностью, теплопроводностью и электропроводимостью. На основе меди образовывают технические сплавы -- латунь и бронзу.

Медь применяют для производства листов, ленты, проволоки методом холодной деформации. В процессе деформации она теряет пластичность и приобретает упругость. Потеря пластичности затрудняет прокалку, протяжку и волочение, а в некоторых случаях делает невозможной дальнейшую обработку металла. Для снятия нагартовки или наклепа и восстановления пластических свойств меди проводят рекристаллизационный отжиг по режиму: нагрев до температуры 450--500° С со скоростью 200--220° С/ч, выдержка в зависимости от конфигурации и массы изделия от 0,5 до 1,5 ч, охлаждение на спокойном воздухе. Структура металла после отжига состоит из равноосных кристаллов, прочность ув=190 МПа, относительное удлинение д = 22%.

Латунь.

Сплав меди с цинком называют латунью. Различают двухкомпонентные (простые) латуни, состоящие только из меди, цинка и некоторых примесей, и многокомпонентные (специальные) латуни, в которые вводят еще один или несколько легирующих элементов (свинец, кремний, олово) для придания сплаву тех или иных свойств.

Двухкомпонентные латуни в зависимости от способа обработки подразделяют на деформируемые и литейные. деформируемые двухкомпонентные латуни (Л96, Л90, Л80, Л63 и др.) обладают высокой пластичностью и хорошо обрабатываются давлением, их используют для изготовления листов, ленты, полос, труб, проволоки и прутков разного профиля.Литейные латуни применяют для отливки фасонных деталей. В процессе холодной обработки давлением двухкомпонентные латуни, как и медь, получают наклеп, вследствие которого возрастает прочность и падает пластичность. Поэтому такие латуни подвергают термической обработке -- рекристаллизационному отжигу по режиму: нагрев до 450--650° С, со скоростью 180--200° С/ч, выдержка 1,5--2,0 ч и охлаждение на спокойном воздухе. Прочность латуни после отжига уВ = 240-320 МПа, относительное удлинение д = 49-52%.

Латунные изделия с большим внутренним напряжением в металле подвержены растрескиванию. При длительном хранении на воздухе на них образуются продольные и поперечные трещины. Чтобы избежать этого, изделия перед длительным хранением подвергают низкотемпературному отжигу при 250--300° С.

Наличие в многокомпонентных (специальных) латунях легирующих элементов (марганца, олова, никеля, свинца и кремния) придает им повышенную прочность, твердость и высокую коррозионную стойкость в атмосферных условиях и морской воде. Наиболее высокой устойчивостью в морской воде обладают латуни, легированные оловом, например ЛО70-1, ЛА77-2 и ЛАН59-3-2, получившие название морской латуни, их применяют в основном для изготовления деталей морских судов.

5.2 Термическое упрочнение бронзы

Бронза -- сплав меди с оловом, свинцом, кремнием, алюминием, бериллием и другими элементами. По основному легирующему элементу бронзы разделяют на оловянные и безоловянные (специальные), по механическим свойствам -- на деформируемые и литейные.

Деформируемые оловянные бронзы марок Бр.ОФ8-0,3, Бр.ОЦ4-3, Бр.ОЦС4-4-2,5 выпускают в виде прутков, лент, проволоки для пружин. Структура этих бронз состоит из б-твердого раствора. Основным видом термической обработки бронз является высокий отжиг по режиму: нагрев до 600--650° С, выдержка при этой температуре в течение 1--2 ч и быстрое охлаждение. Прочность после отжига ув -- 350-450 МПа, относительное удлинение б= 18--22%, твердость НВ 70--90.

Литейные оловянные бронзы марок Бр.ОЦ5-5-5, Бр.ОСНЗ-7-5-1, Бр.ОЦСЗ,5-7-5 используют для изготовления антифрикционных деталей (втулок, подшипников, вкладышей и др.). Литейные оловянные бронзы подвергают отжигу при 540--550° С в течение 60--90 мин.

Безоловянные бронзы Бр.5, Бр.7, Бр.АМц9-2, Бр.КН1-3 идругие марки имеют высокую прочность, хорошие антикоррозионные и антифрикционные свойства. Из этих бронз изготовляют шестерни, втулки, мембраны и другие детали. Для облегчения обработки давлением бронзы подвергают гомогенизации при 700--750° С с последующим быстрым охлаждением. Отливки, имеющие внутренние напряжения, отжигают при 550° С с выдержкой 90--120 мин.

Наиболее часто в промышленности применяют двойные -алюминиевые бронзы марок Бр.А5, Бр.А7 и бронзы, добавочно легированные никелем, марганцем, железом и другими элементами, например Бр.АЖН10-4-4. Эти бронзы используют для различных втулок, фланцев, направляющих седел, шестерен и других небольших деталей, испытывающих большие нагрузки.

Двойные алюминиевые бронзы подвергают закалке и отпуску по режиму: нагрев под закалку до 880--900° С со скоростью 180--200° С/ч, выдержка при этой температуре 1,5--2 ч, охлаждение в воде; отпуск при 400--450° С в течение 90--120 мин. Структура сплава после закалки состоит из мартенсита, после отпуска--из тонкой механической смеси; прочность бронзы ув = 550МПа, д = 5%, твердость НВ 380--400.

Бериллиевая бронза Бр.Б2 -- сплав меди с бериллием. Уникальные свойства -- высокая прочность и упругость при одновременной химической стойкости, немагнитность и способность к термическому упрочнению -- все это делает бериллиевую бронзу незаменимым материалом для изготовления пружин часов и приборов, мембран, пружинистых контактов и других деталей. Высокая твердость и немагнитность позволяют использовать бронзу в качестве ударного инструмента (молотки, зубила), не образующего искр при ударе о камень и металл. Такой инструмент применяют при работах во взрывоопасных средах. Бронзу Бр.Б2 закаливают при 800--820° С с охлаждением в воде, а затем подвергают искусственному старению при 300--350° С. При этом прочность сплава уВ=1300 МПа, твердость HRC37--40.

5.3 Термическое упрочнение алюминиевых сплавов

Деформируемые алюминиевые сплавы разделяют на неупрочняемые термической обработкой и упрочняемые. Кнеупрочняемым алюминиевым сплавам относят сплавы марки АМц2, АМг2, АМгЗ, имеющие невысокую прочность и высокую пластичность; их применяют для изделий, получаемых глубокой вытяжкой, упрочняют холодной обработкой давлением (нагартовкой).

Наиболее распространены сплавы, упрочняемые термической обработкой. К ним относят дюралюминий марок Д1, Д16, Д3П, в состав которых входят алюминий, медь, магний и марганец. Основными видами термического упрочнения дюралюминия являются закалка и старение. Закалку проводят при 505--515° С с последующим охлаждением в холодной воде. Старение применяют как естественное, так и искусственное. При естественном старении сплав выдерживают в течение 4--5 сут, при искусственном -- 0,8--2,0 ч; температура старения -- не ниже 100--150°С; прочность после обработки уВ = 490 МПа, 6=14%. Сплавы Д1 и Д16 применяют для изготовления деталей и элементов строительных конструкций, а также изделий для летательных аппаратов.

Авиаль (АВ, АВТ, АВТ1)--это деформируемый сплав, обладающий более высокой пластичностью, свариваемостью и коррозионной стойкостью, чем дюралюминиевые; подвергают закалке в воде при 515--525° С и старению: сплавы АВ и АВТ -- естественному, сплав АВТ1 -- искусственному при 160° С с выдержкой 12--18 ч. Применяют авиаль для производства листов, труб, лопастей винтов вертолетов и т. п.

Высокопрочные (ув=550-700 МПа) алюминиевые сплавы В95 и В96 имеют меньшую пластичность, чем дюралюминий. Термическая обработка этих сплавов заключается в закалке при 465--475° С с охлаждением в холодной или горячей воде и искусственном старении при 135--145° С в течение 14--16 ч. Применяют сплавы в самолетостроении для нагруженных конструкций, работающих длительное время при 100--200° С.

Ковочные алюминиевые сплавы марок АК1, АК6, АК8 подвергают закалке при 500--575° С с охлаждением в проточной воде и искусственному старению при 150--165° С с выдержкой 6--15 ч; прочность сплава уВ = 380-460 МПа, относительное удлинение д = 7-10%.

Литейные алюминиевые сплавы называют силуминами. Наиболее распространены термически упрочняемые сплавы марок АЛ4, АЛ6 и АЛ20 Отливки из сплавов АЛ4 и АЛ6 закаливают при 535--545° С с охлаждением в горячей (60--80° С) воде и подвергают искусственному старению при 175° С в течение 2--3 ч; после термической обработки ув=260 МПа, д = 4-6%, твердость НВ 75--80. Для снятия внутренних напряжений отливки из этих сплавов отжигают при 300° С в течение 5--Ю ч с охлаждением на воздухе. Жаропрочные сплавы марок АЛ 11 и АЛ20, идущие для изготовления поршней, головок цилиндров, топок котлов, работающих при 200--300° С, подвергают закалке (нагрев до 535--545° С, выдержка при этой температуре в течение 3--6 ч и охлаждение в проточной воде), а также стабилизирующему отпуску при 175--180° С в течение 5--10 ч; после термической обработки ув=300-350 МПа, д=3-5%.

5.4 Термическая обработка магниевых и титановых сплавов

Магниевые сплавы.

Основными элементами в магниевых сплавах (кроме магния) являются алюминий, цинк, марганец и цирконий. Магниевые сплавы делят на деформируемые и литейные.

Деформируемые магниевые сплавы марок МА1, МА8, МА14 подвергают термическому упрочнению по режиму: нагрев под закалку до 410--415° С, выдержка 15--18 ч, охлаждение на воздухе и искусственное старение при 175° С в течение 15--16 ч; после термообработки уВ = 320~430 МПа, д = 6-14%. Сплавы МА2, МАЗ и МА5 термической обработке не подвергают; их применяют для изготовления листов, плит, профилей и поковок.

Химический состав литейных магниевых сплавов(МЛ4, МЛ5, МЛ12 и др.) близок к составу деформируемых, но пластичность и прочность литейных сплавов значительно ниже. Это связано с грубой литейной структурой сплавов Термическая обработка отливок с последующим старением способствует растворению избыточных фаз, сконцентрированных по границам зерен и повышению пластичности и прочности сплава.

Особенностью магниевых сплавов является малая скорость диффузионных процессов (фазовые превращения протекают медленно), что требует большой выдержки под закалку и старение. По этой причине закалка сплавов возможна только на воздухе. Старение литейных магниевых сплавов проводят при 200--300° С; под закалку их нагревают до 380--420° С; после закалки и старения ув = 250-270 МПа.[13]

Магниевые сплавы можно применять, как жаропрочные, способные работать при температурах до 400° С. Вследствие высокой удельной прочности магниевые сплавы широко применяют в авиации, ракетостроении, автомобильной и электротехнической промышленности. Большим недостатком магниевых сплавов является низкая стойкость против коррозии во влажной атмосфере.

Титановые сплавы.

Титан является одним из важнейших современных конструкционных материалов; обладает высокой прочностью, повышенной температурой плавления (1665° С), малой плотностью (4500 кг/м3) и высокой коррозионной стойкостью даже в морской воде. На основе титана образовывают сплавы повышенной прочности, широко применяемые в авиации и ракетостроении, энергомашиностроении, судостроении, химической промышленности и других областях промышленности. Основными добавками в титановых сплавах являются алюминий, молибден, ванадий, марганец, хром, олово и железо.

Титановые сплавы марок ВТ5, ВТ6-С, ВТ9 и ВТ16 подвергают отжигу, закалке и старению. Полуфабрикаты (прутки, поковки, трубы) из сплава, дополнительно легированного оловом (ВТ5-1), проходят рекристаллизационный отжиг при 700--800° С в целях снятия наклепа. Листовые титановые сплавы отжигают при 600--650° С. Длительность отжига поковок, прутков и труб составляет 25--30 мин, алистов -- 50--70 мин.

Высоконагруженные детали из сплава ВТ14, работающие при температуре 400° С, закаливают с последующим старением по режиму: температура закалки 820--840° С, охлаждение в воде, старение при 480--500° С в течение 12--16 ч; после закалки и старения: ув=1150-1400 МПа, 6 = 6--10%, твердость HRC56--60.

Заключение

При написании курсовой работы по теме «Кристаллографическая структура», мною была изучена специализированная литература, включающая научные статьи по кристаллографии, кристаллохимии, физике, рассмотрено практическое применение электротехнической стали, термическая обработка цветных металлов и сплавов (медь, латунь, бронза, алюминиевые, магниевые и титановые сплавы).

Размещено на Allbest.ru