Меркулова Г.А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов. Конспект лекций
Подождите немного. Документ загружается.
Федеральное агентство по образованию
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Сибирский федеральный университет»
Доцент, к. т. н. Г. А. Меркулова
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ
(конспект лекций)
Для студентов укрупненной группы 150000 - Металлургия, машино-
строение и материалообработка, образовательного направления 150100 -
Металлургия; специализации 150105 - Металловедение и термическая
обработка металлов
Красноярск
2007
2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ......................................................................................................................................... 6
Контрольные вопросы и задания ................................................................................................. 9
1 ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ ...... 10
1.1 Способы нагрева ................................................................................................................ 10
1.2 Охлаждающие среды ......................................................................................................... 11
1.3 Термические напряжения ................................................................................................. 12
1.4 Методы предупреждения и уменьшения ........................................................................ 13
остаточных напряжений ......................................................................................................... 13
1.5 Взаимодействие металлов с газами ................................................................................. 14
1.6 Влияние газов на механические свойства металлов. ..................................................... 15
Водородная хрупкость ............................................................................................................ 15
1.7 Контролируемые атмосферы ............................................................................................ 17
1.8 Защитные покрытия .......................................................................................................... 18
1.9 Термическая обработка в вакууме ................................................................................... 18
Контрольные вопросы и задания ............................................................................................... 19
2 МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ ............................................................................................................. 20
2.1 Принципы выбора режимов отжига меди и ее сплавов ................................................. 20
2.2 Принципы выбора режимов закалки и старения ............................................................ 24
дисперсионно твердеющих сплавов ...................................................................................... 24
2.3 Взаимодействие меди и ее сплавов с газами .................................................................. 29
при термической обработке .................................................................................................... 29
2.4 Применение защитных атмосфер .................................................................................... 30
2.5 Влияние различных факторов на эффективность защитных сред ................................ 32
2.6 Травление полуфабрикатов из меди и ее сплавов .......................................................... 33
после термической обработки ................................................................................................ 33
2.7 Виды брака при термической обработке меди и ее сплавов ......................................... 34
2.8 Свойства меди .................................................................................................................... 34
2.9 Взаимодействие меди с легирующими элементами и примесями ............................... 35
2.10 Влияние примесей на структуру и свойства меди ....................................................... 36
2.11 Техническая медь ............................................................................................................ 39
2. 12 Классификация сплавов на основе меди ...................................................................... 40
2.13 Двойные латуни ............................................................................................................... 40
2.14 Многокомпонентные (легированные) латуни .............................................................. 43
2.15 Деформируемые латуни .................................................................................................. 44
2.16 Литейные
латуни ............................................................................................................. 45
2.17 Оловянные бронзы .......................................................................................................... 47
2.18 Алюминиевые бронзы ..................................................................................................... 51
2.19 Бериллиевые бронзы ....................................................................................................... 55
2.20 Кремнистые бронзы ........................................................................................................ 58
2.21 Марганцевые бронзы ....................................................................................................... 58
2.22 Свинцовые бронзы .......................................................................................................... 59
2.23 Медноникелевые сплавы ................................................................................................ 61
2.24 Специальные медные сплавы ......................................................................................... 63
2.25 Области применения меди и ее сплавов ........................................................................ 66
Контрольные вопросы и задания ............................................................................................... 69
3.АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ ............................................................................................ 71
3.1 Основы термической обработки алюминиевых сплавов ............................................... 71
3
3.2 Закалка ................................................................................................................................ 80
3.3 Старение ............................................................................................................................. 83
3.4 Возврат после старения ..................................................................................................... 88
3.5 Технология отжига листов ................................................................................................ 89
термически не упрочняемых алюминиевых сплавов ........................................................... 89
3.6 Технология термической обработки листов ................................................................... 94
термически упрочняемых алюминиевых сплавов .............................................................. 94
3.7 Технология термической обработки прессованный изделий ........................................ 98
3.7 Технология термической обработки труб ..................................................................... 100
3.8 Технология термической обработки поковок и штамповок ....................................... 103
3.8 Термомеханическая обработка ....................................................................................... 104
3.8 Защитные атмосферы ...................................................................................................... 115
при термической обработке алюминиевых сплавов
.......................................................... 115
3.9 Брак при термической обработке и методы контроля ................................................. 117
3.10 Свойства алюминия ....................................................................................................... 118
3.11 Взаимодействие алюминия ........................................................................................... 119
с легирующими элементами и примесями .......................................................................... 119
3.12 Классификация алюминиевых сплавов ....................................................................... 120
3.13 Термически неупрочняемые алюминиевые сплавы ................................................... 121
3.14 Деформируемые сплавы, упрочняемые термообработкой ........................................ 123
3.15 Литейные алюминиевые сплавы .................................................................................. 137
3.16 Специальные алюминиевые сплавы ............................................................................ 144
3.17 Области применения ..................................................................................................... 150
Контрольные вопросы и задания ............................................................................................. 152
Контрольные вопросы и задания ............................................................................................. 152
4 МАГНИЙ И
ЕГО СПЛАВЫ .................................................................................................. 154
4.1 Принципы выбора режимов термической обработки .................................................. 154
магниевых сплавов ................................................................................................................ 154
4.2 Взаимодействие магния и его сплавов с газами ........................................................... 156
4.3 Технология термической обработки .............................................................................. 157
литейных и деформируемых магниевых сплавов .............................................................. 157
4.4 Дефекты термической обработки .................................................................................. 158
4.5 Свойства магния .............................................................................................................. 159
4.6 Взаимодействие магния .................................................................................................. 159
с легирующими элементами и примесями .......................................................................... 159
4.7 Влияние легирующих элементов на механические свойства магния ........................ 162
4.8 Классификация магниевых сплавов .............................................................................. 162
4.9
Деформируемые магниевые сплавы .............................................................................. 164
4.10 Литейные магниевые сплавы ....................................................................................... 166
4.11 Области применения магния и его сплавов ................................................................ 168
Контрольные вопросы и задания ............................................................................................. 170
5. ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ ..................................................................................................... 171
5.1. Принципы выбора режимов отжига ............................................................................. 171
5.2. Принципы выбора режимов закалки и старения ......................................................... 173
5.3 Водородная хрупкость титана и его сплавов ................................................................ 177
5.4.Способы защиты титана и его сплавов от газонасыщения ......................................... 178
5.5 Термомеханическая обработка ....................................................................................... 179
5.6
Химико - термическая обработка (ХТО) ....................................................................... 180
5.7 Дефекты термически обработанных изделий и полуфабрикатов ............................... 181
4
5.8 Физические и механические свойства титана .............................................................. 182
5.9 Коррозионная стойкость титана ..................................................................................... 182
5.10 Взаимодействие титана ................................................................................................. 184
с легирующими элементами и примесями .......................................................................... 184
6.11 Фазовые превращения в титане и его сплавах ............................................................ 186
5.12.Метастабильные фазы в титановых сплавах .............................................................. 190
5.13 Превращения при старении и изотермической обработке ........................................ 191
5.14 Классификация титана и его сплавов .......................................................................... 193
5.15 Деформируемые титановые сплавы ............................................................................ 194
5.16 Литейные титановые сплавы ........................................................................................ 198
Контрольные вопросы и задания ............................................................................................. 199
6. ТУГОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ ................................................................. 200
6.1 Взаимодействие тугоплавких металлов с газами ......................................................... 200
6.2 Способы защиты от взаимодействия с активными газами .......................................... 201
6.3 Принципы выбора режимов отжига .............................................................................. 202
тугоплавких металлов и их сплавов .................................................................................... 202
6.4 Технология термической обработки .............................................................................. 204
деформируемых полуфабрикатов ........................................................................................ 204
6.5 Физические и механические свойства тугоплавких металлов .................................... 205
6.7 Коррозионная стойкость тугоплавких металлов .......................................................... 206
6.8 Взаимодействие тугоплавких металлов ........................................................................ 207
с легирующими элементами и примесями .......................................................................... 207
6.9 Хладноломкость тугоплавких металлов........................................................................ 209
6.10 Принципы легирования тугоплавких металлов .......................................................... 210
6.11 Термическая обработка тугоплавких металлов и сплавов ........................................ 212
6.12 Вольфрам и его сплавы ................................................................................................. 213
6.13 Молибден и его сплавы ................................................................................................. 215
6.14 Ниобий и его сплавы ..................................................................................................... 216
6.15 Области применения ..................................................................................................... 219
Контрольные вопросы и задания ............................................................................................. 220
7 БЕРИЛЛИЙ И ЕГО СПЛАВЫ .............................................................................................. 221
7.1 Достоинства и недостатки бериллия ............................................................................. 221
7.2 Физико-химические
свойства бериллия ........................................................................ 222
7.3 Механические свойства бериллия ................................................................................. 223
7.4 Сплавы на основе бериллия ............................................................................................ 226
7.5 Области применения ....................................................................................................... 228
Контрольные вопросы и задания ............................................................................................. 230
8 НИКЕЛЬ И ЕГО СПЛАВЫ ................................................................................................... 231
8.1 Свойства никеля .............................................................................................................. 231
8.2 Классификация сплавов на основе никеля .................................................................... 232
8.3 Жаростойкие никелевые сплавы .................................................................................... 232
8.4 Жаропрочные деформируемые сплавы ......................................................................... 233
8.5 Жаропрочные литейные сплавы .................................................................................... 236
8.4 Технический никель ....................................................................................................... 240
8.5 Области применения никеля и его сплавов .................................................................. 241
Контрольные вопросы
и задания ............................................................................................. 243
9 БЛАГОРОДНЫЕ МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ. ................................................................. 244
9.1 Свойства благородных металлов ................................................................................... 244
9.2 Сплавы на основе благородных металлов .................................................................... 246
5
9.3 Применение благородных металлов и их сплавов ....................................................... 251
Контрольные вопросы и задания ............................................................................................. 252
10 РАДИОАКТИВНЫЕ МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ .......................................................... 253
10.1 Структура и свойства тория ......................................................................................... 253
10.2 Сплавы тория ................................................................................................................. 254
10.3 Структура и свойства урана ......................................................................................... 257
10.4 Сплавы урана ................................................................................................................. 258
10.5 Структура и свойства плутония ................................................................................... 259
10.6 Сплавы плутония ........................................................................................................... 260
Контрольные вопросы и задания ............................................................................................. 261
Список литературы: .................................................................................................................. 262
6
Введение
В глубокой древности люди вначале использовали металлы, которые
встречались в чистом виде – медь и золото. Материалы определяли истори-
ческую эпоху: каменный, бронзовый, железный века.
По общепринятой классификации железо является черным металлом, а
все остальные - цветными, которые можно разделить на легкие, тяжелые, ту-
гоплавкие, а также благородные и радиоактивные.
Металлы
входили в жизнь человека постепенно в течение некоторого
переходного периода между каменным векам и веком металлов. Сотни тысяч
лет назад люди пользовались «инструментами» из камня. Затем стали приме-
нять металлы, которые встречаются в периоде в чистом виде – в самородках
(золото, серебро). Вероятнее всего первым металлом, который люди стали
использовать, было
золото. Более 100 кг золота пошло на саркофаг фараона
Тутанхамона. Много золота было у древних инков.
Историки выделяют каменно- медный век, когда оружие и инструмен-
ты делали из меди, а также еще использовали кремневые орудия. Первые
мелкие медные изделия (наконечники для стрел и копий) ковали из найден-
ных самородков. Люди обнаружили, что
при холодной ковке медь не только
принимает нужную форму, но становится тверже и прочнее.
Позже было обнаружено, что упрочненный холодной ковкой металл
можно снова сделать мягким, если нагреть его на огне. Прошло немало вре-
мени и люди научились, плавит медь и отливать ее в формы, а так же стали
паять
медь серебряной проволокой. Однако знания о металлах и умение с
ними обращаться не были всеобщим достоянием. Круг посвященных был
узок.
При всех своих достоинствах медь имела и существенных недостаток:
медные орудия и инструменты быстро затуплялись.
Наступил бронзовый век. Стали использовать сплав меди и олова – это
оловянная бронза. Медь легировали также свинцом
, мышьяком и сурьмой.
Бронзы по сравнению с медью имеют лучшие литейные свойства, большую
твердость и прочность. Сильнее упрочняются в результате холодной дефор-
мации. Техника металлургии и металлообработки развилась довольно поздно
по сравнению с гончарным делом и ткачеством и с самого начала находилась
в руках специалистов. Считается, что в Египте бронзовые
изделия стали из-
7
готавливать в начале ІІ тысячелетия до н.э. Во ІІ тысячелетии до н.э. стали
использовать бронзу и в Европе. На среднем Востоке бронзовый век начался
несколько раньше.
Большой спрос на ценную бронзу стимулировал развитие горного дела,
а также торговли. Очаги бронзовой культуры возникли и развивались во мно-
гих уголках древнего
мира.
Из бронзового века дошло до нас немало выдающихся изделий ремес-
ла различных народов. Оружие, инструменты, украшения, посуда и другие
предметы свидетельствуют об удивительном искусстве древних мастеров,
которым были хорошо известны специфические свойства меди и ее сплава –
бронзы.
Люди давно узнали также свинец, ртуть, сурьму. В период увлечения
алхимией сурьма
приобрела особое значение, прежде всего потому, что в
расплавленном виде она хорошо растворяет многие другие металлы - « по-
жирает» их.
В древности ртуть широко применяли для золочения. Золото легко рас-
творяется в ртути и образует с ней сплав – золотую амальгаму, которую на-
носят на обрабатываемое изделие. Затем его нагревают, ртуть испаряется, а
на изделии остается слой золота. В наше время от такого процесса огневого
золочения отказались, потому что пары ртути чрезвычайно вредны для здо-
ровья.
Сплав меди с цинком называют латунью. По виду латунь напоминает
золото. Латунь применяли еще во времена Гомера ( V ІІІ в до н.э.) В древно-
сти сплавляли медь
с цинковой рудой. И в Риме при императоре Августе (63
г. До н.э. – 14 г. н.э.) чеканили латунные монеты. Европа узнала о цинке
только в 18 веке. Китайцам цинк был известен раньше.
Историки считают, что платину (благородный металл) обрабатывали в
Египте еще в 1500 г. до н. э. Известно, что индейцы в Америке
давно были
знакомы с платиной и оттуда ее доставляли в Европу. Бронзовый век сменил
век железный (железо- основа черных сплавов: стали и чугуна). Но работа с
цветными сплавами продолжается
1
.
Ученые всего мира вносят вклад в развитие науки о термической обра-
ботке цветных сплавов. Еще в 1900 г. А.А.Байков (1870-1946 гг.) на сплавах
меди с сурьмой доказал, что способность к закалке присуща не только ста-
1
Беккерт М. Мир металла. Пер. с нем., 1980
8
лям, как это считали ранее, но и цветным сплавам. В 1903 г. В Германии был
взят патент на « способ облагораживания алюминиевых сплавов нагреванием
и закалкой». Было показано, что предел прочности литых сплавов алюминия
с медью в результате закалки возрастает в 1,5 раза.
В 1906 г. Немецкий инженер А. Вильм (1869-1937гг.) на изобретенном
им дуралюмине
открыл старение после закалки – один из основных способов
упрочнения сплавов. В 1919 г. Американский металловед П. Мерика (1889-
1957гг.) вскрыл природу старения дуралюминов, связав упрочнение при ста-
рении с образованием дисперсных выделений в пересыщенном твердом рас-
творе. Это было одним из наиболее выдающихся достижений в теории тер-
мической обработки: по диаграммам состояния
с переменной растворимо-
стью компонентов в твердом состоянии стало возможным предсказывать об-
ласти составов сплавов, способных к дисперсионному твердению.
Начиная с 20-х годов нашего века с помощью новых методов анализа
совершенствовались старые и разрабатывались новые способы термообра-
ботки, создавались новые термически упрочняемые сплавы.
Среди отечественных ученых, внесших большой вклад в
теорию и
практику термообработки цветных сплавов, необходимо отметить А.А Боч-
вара, Д.А. Петрова, С.М. Воронова, И.Ф. Колобнева, И.Н. Фриндляндера,
И.И Новикова, В.И Елагина, В.А. Ливанова, Б.А. Колачева, Р.М. Габидулина,
А.П. Смирягина, М.В. Мальцева и др.
Из зарубежных ученых, работающих
с алюминиевыми сплавами, особо
следует отметить Л.Ф. Мондольфо.
В настоящее время роль металлов на основе цветных металлов возрас-
тает с каждым годом. Кроме металлургии, машиностроения, судостроения и
других давно сложившихся областей техники, металлические материалы этой
группы применяются во многих отраслях новой техники приборостроении,
электронной, ядерной, криогенной технике, радиотехнике, авиации,
космо-
навтике, медицине.
9
Контрольные вопросы и задания
1 Перечислите фамилии некоторых отечественных и зарубежных ученых, ко-
торые внесли вклад в развитие металловедения и термической обработки
цветных металлов и сплавов.
2 Поясните, где могут использоваться цветные материалы.
3 Дайте классификацию цветных металлов.
4 Укажите виды термической обработки цветных сплавов.
10
1 ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ
Термическая обработка включает нагрев металла или сплава до вы-
бранной температуры, выдержки при этой температуре в течение заданного
времени и охлаждение по определенному режиму. Кроме того, термическая
обработка может включать несколько циклов: нагрев – выдержка – охлажде-
ние. В связи с этим выбор оптимального варианта термической
обработки,
обеспечивающего наилучшее сочетание механических и служебных свойств
металла и сплава, в данном конкретном применении становится довольно
сложной задачей.
Важное значение имеет обоснование не только температурно-
временных параметров термической обработки, но и выбор способа нагрева,
атмосферы печи охлаждающей среды. Нагрев можно осуществлять конвек-
цией, излучением, электроконтактным и индукционными методами.
Выбор
атмосферы печи определяется интенсивностью взаимодействия
металлов и сплавов газами. Термическая обработка некоторых металлов на
воздухе не допустимо из-за интенсивного взаимодействия их с кислородом и
парами воды.
Выбор охлаждающей среды определяется видом термообработки. При
некоторых видах термообработки цветных металлов скорость охлаждения не
играет существенной роли. В ряде случаев выбор допустимой скорости
на-
грева и охлаждения определяется геометрией и размерами изделия.
При выборе режимов термической обработки важное значение имеют
диаграммы изотермических превращений. Они позволяют дать научно обос-
нованный выбор режимов закалки, старения, отжига.
Титановые сплавы, обладающие высокой склонностью к водородной
хрупкости, подвергают вакуумному отжигу для снижения содержания водо-
рода до безопасного уровня.
Вакуумный отжиг можно ввести на заключи-
тельных этапах обработки давлением или на последней стадии получения го-
тового изделия. Это зависит от типа сплава и технологии производства изде-
лий.
1.1 Способы нагрева
Наиболее широко применяют печи электросопротивления и пламенно-
го нагрева, в которых тепло нагреваемому телу передается конвекцией и из-
лучением.
При индукционном нагреве нагреваемое тело помещают в переменное
магнитное поле, которое возбуждает в теле электрический ток вследствие
электромагнитной индукции. Этот ток и нагревает тело. Применение индук-