Изучение элементарного состава сплавов

1.Обзор литературы

Среди основных материалов, используемых в промышленности, особое место принадлежит  сплавам металлов. Число металлических  сплавов, применяемых в технике, очень значительно. Оно постоянно  возрастает в соответствии с возникающими новыми и разнообразными требованиями многих отраслей промышленности.

1.1.Сплавы металлов  и их применение

Сплавы —  материалы, имеющие металлические свойства и состоящие из двух или большего числа химических элементов, из которых хотя бы один является металлом. Многие металлические сплавы имеют один металл в качестве основы с малыми добавками других элементов. Самый распространенный способ получения сплавов – затвердевание однородной смеси их расплавленных компонентов. Существуют и другие методы производства – например, порошковая металлургия. В принципе, четкую границу между металлами и сплавами трудно провести, так как даже в самых чистых металлах имеются «следовые» примеси других элементов. Однако обычно под металлическими сплавами понимают материалы, получаемые целенаправленно добавлением к основному металлу других компонентов.

Почти все металлы, имеющие  промышленное значение, используются в виде сплавов. Так, например, все  выплавляемое железо почти целиком  идет на изготовление обычных и легированных сталей, а также чугунов. Дело в том, что сплавлением с некоторыми компонентами можно существенно улучшить свойства многих металлов. Если для чистого алюминия предел текучести составляет всего лишь 35 МПа, то для алюминия, содержащего 1,6% меди, 2,5% магния и 5,6% цинка, он может превышать 500 Мпа. Аналогичным образом могут быть улучшены электрические, магнитные и термические свойства. Эти улучшения определяются структурой сплава – распределением и структурой его кристаллов и типом связей между атомами в кристаллах.

Многие металлы, скажем магний, выпускают  высокочистыми, чтобы можно было точно знать состав изготавливаемых  из него сплавов. Число металлических сплавов, применяемых в наши дни, очень велико и непрерывно растет. Их принято разделять на две большие категории: сплавы на основе железа и сплавы цветных металлов. Ниже перечисляются наиболее важные сплавы промышленного значения и указываются основные области их применения [5].

Сталь. Сплавы железа с углеродом, содержащие его до 2%, называются сталями. В состав легированных сталей входят и другие элементы – хром, ванадий, никель. Сталей производится гораздо больше, чем каких-либо других металлов и сплавов, и все виды их возможных применений трудно было бы перечислить. Малоуглеродистая сталь (менее 0,25% углерода) в больших количествах потребляется в качестве конструкционного материала, а сталь с более высоким содержанием углерода (более 0,55%) идет на изготовление таких низкоскоростных режущих инструментов, как бритвенные лезвия и сверла. Легированные стали находят применение в машиностроении всех видов и в производстве быстрорежущих инструментов.

Чугун. Чугуном называется сплав железа с 2–4% углерода. В зависимости от состояния углерода чугуны делят на белые, серые, высокопрочные и ковкие.

В белых чугунах весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде карбида железа, поэтому они отличаются высокой твердостью, хрупкостью и практически не поддаются обработке резанием. Белый чугун находит применение в качестве конструкционного материала.

Для изготовления трущихся изделий (прокатные  валки, колеса, шары для мельниц и  т.д.) применяют так называемые отбеленные чугуны, в которых поверхностные  слои имеют структуру белого, а сердцевина — серого чугуна. Высокая твердость поверхности отбеленного чугуна обеспечивает повышенную сопротивляемость износу.

В машиностроении используются главным  образом серые высокопрочные и ковкие чугуны. В серых чугунах весь углерод находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита.Такие чугуны содержат кроме углерода примеси кремния, марганца и фосфора. Из серых чугунов изготовляют детали простой конфигурации (крышки, стойки, кожухи, шкивы, кронштейны, зубчатые колеса, тормозные барабаны, станины станков, корпуса, коленчатые валы и др.). Высокопрочный чугун получается присадкой в жидкий серый чугун добавок магния, церия и некоторых других элементов. Из высокопрочного чугуна изготовляют коленчатые валы и поршни автомобильных и тракторных двигателей, шестерни, тормозные диски, детали прокатных станов, корпуса насосов, вентили и т.д. Некоторые высокопрочные чугуны используются в качестве антифрикционного материала в узлах трения с высокими окружными скоростями. Ковкий чугун получают из белого чугуна путем длительного нагрева при высоких температурах (отжиг, томление).

Этот чугун широко используется в автомобильной, сельскохозяйственной, текстильной и других отраслях машиностроения. Из него изготовляют детали, работающие при средних и высоких статических и динамических нагрузках (подшипники, кронштейны, картеры редукторов, поршни, ступицы). Большая плотность отливок позволяет производить из ковкого чугуна детали водо- и газопроводных установок, а хорошие литейные свойства исходного белого чугуна — отливки сложной формы[2].

Сплавы на основе меди. В основном это латуни, т.е. медные сплавы, содержащие от 5 до 45% цинка. Латунь с содержанием от 5 до 20% цинка называется красной (томпаком), а с содержанием 20–36% Zn – желтой (альфа-латунью). Механические свойства латуни зависят от содержания цинка: сопротивление при растяжении возрастает от 30—32% Zn, затем падает. Твердость латуни по мере увеличения содержания цинка до 40-45% увеличивается незначительно, а затем резко повышается. Латуни применяются в производстве различных мелких деталей, где требуются хорошая обрабатываемость и формуемость. Сплавы меди с оловом, кремнием, алюминием или бериллием называются бронзами. Например, сплав меди с кремнием носит название кремнистой бронзы. Отливки из кремнистых бронз отличаются боле высокой коррозионной стойкостью, механическими свойствами и плотностью. Широкое применение в промышленности находят оловянные бронзы для изготовления водяной и паровой аппаратуры, подшипников, зубчатых колес, пружин и др. Бронза характеризуется высокой стойкостью против истирания и поэтому считается одним из лучших антифрикционных сплавов. При этом необходимо иметь в виду и то, что бронзы обладают малой усадкой, а также высокой химической стойкостью. Самыми распространенными являются алюминиевые (двойные и сложные) бронзы, превосходящие оловянные по механическим свойствам. Из этих бронз изготовляют мелкие ответственные детали машин.

Бериллиевые бронзы характеризуются  высокой прочностью (σ_в = 1200 Мпа в закаленном и состаренном состояниях) и упругостью, химической стойкостью, свариваемостью и обрабатываемостью резанием. Из них изготовляют мембраны и пружины.Свинцовистые бронзы являются хорошими антифрикционными материалами для подшипников. Фосфористая бронза (медь с 5% олова и следовыми количествами фосфора) обладает высокой прочностью и применяется для изготовления пружин и мембран.

Свинцовые сплавы. Обычный припой (третник) представляет собой сплав примерно одной части свинца с двумя частями олова. Он широко применяется для соединения (пайки) трубопроводов и электропроводов. Из сурьмяно-свинцовых сплавов делают оболочки телефонных кабелей и пластины аккумуляторов. Сплавы свинца с кадмием, оловом и висмутом могут иметь точку плавления, лежащую значительно ниже точки кипения воды ( 70 ˚C); из них делают плавкие пробки клапанов спринклерных систем противопожарного водоснабжения. Пьютер, из которого ранее отливали столовые приборы (вилки, ножи, тарелки), содержит 85–90% олова (остальное – свинец). Подшипниковые сплавы на основе свинца, называемые баббитами, обычно содержат олово, сурьму и мышьяк [3].

Легкие сплавы. Современная промышленность нуждается в легких сплавах высокой прочности, обладающих хорошими высокотемпературными механическими свойствами. Основными металлами легких сплавов служат алюминий, магний, титан и бериллий. Однако сплавы на основе алюминия и магния не могут применяться в условиях высокой температуры и в агрессивных средах.

Алюминиевые сплавы. К ним относятся литейные сплавы (Al – Si), сплавы для литья под давлением (Al – Mg) и самозакаливающиеся сплавы повышенной прочности (Al – Cu). Алюминиевые сплавы экономичны, легкодоступны, прочны при низких температурах и легко обрабатываемы (они легко куются, штампуются, пригодны для глубокой вытяжки, волочения, экструдирования, литья, хорошо свариваются и обрабатываются на металлорежущих станках). К сожалению, механические свойства всех алюминиевых сплавов начинают заметно ухудшаться при температурах выше приблизительно 175 ˚С. Но благодаря образованию защитной оксидной пленки они проявляют хорошую коррозионную стойкость в большинстве обычных агрессивных сред. Эти сплавы хорошо проводят электричество и тепло, обладают высокой отражательной способностью, немагнитны, безвредны в контакте с пищевыми продуктами (поскольку продукты коррозии бесцветны, не имеют вкуса и нетоксичны), взрывобезопасны (поскольку не дают искр) и хорошо поглощают ударные нагрузки. Благодаря такому сочетанию свойств алюминиевые сплавы служат хорошими материалами для легких поршней, применяются в вагоно-, автомобиле- и самолетостроении, в пищевой промышленности, в качестве архитектурно-отделочных материалов, в производстве осветительных отражателей, технологических и бытовых кабелепроводов, при прокладке высоковольтных линий электропередачи.

Примесь железа, от которой  трудно избавиться, повышает прочность  алюминия при высоких температурах, но снижает коррозионную стойкость  и пластичность при комнатной  температуре. Кобальт, хром и марганец ослабляют охрупчивающее действие железа и повышают коррозионную стойкость. При добавлении лития к алюминию повышаются модуль упругости и прочность, что делает такой сплав весьма привлекательным для авиакосмической промышленности. К сожалению, при своем превосходном отношении предела прочности к массе (удельной прочности) сплавы алюминия с литием обладают низкой пластичностью.

Магниевые сплавы. Магниевые сплавы легки, характеризуются высокой удельной прочностью, а также хорошими литейными свойствами и превосходно обрабатываются резанием. Поэтому они применяются для изготовления деталей ракет и авиационных двигателей, корпусов для автомобильной оснастки, колес, бензобаков, портативных столов и т.п. Некоторые магниевые сплавы, обладающие высоким коэффициентом вязкостного демпфирования, идут на изготовление движущихся частей машин и элементов конструкции, работающих в условиях нежелательных вибраций.

Магниевые сплавы довольно мягки, плохо сопротивляются износу и не очень пластичны. Они легко  формуются при повышенных температурах, пригодны для электродуговой, газовой и контактной сварки, а также могут соединяться пайкой (твердым), болтами, заклепками и клеями. Такие сплавы не отличаются особой коррозионной стойкостью по отношению к большинству кислот, пресной и соленой воде, но стабильны на воздухе. От коррозии их обычно защищают поверхностным покрытием – хромовым травлением, дихроматной обработкой, анодированием. Магниевым сплавам можно также придать блестящую поверхность либо плакировать медью, никелем и хромом, нанеся предварительно покрытие погружением в расплавленный цинк. Анодирование магниевых сплавов повышает их поверхностную твердость и стойкость к истиранию. Магний – металл химически активный, а потому необходимо принимать меры, предотвращающие возгорание стружки и свариваемых деталей из магниевых сплавов.

Титановые сплавы. Титановые сплавы превосходят как алюминиевые, так и магниевые в отношении предела прочности и модуля упругости. Их плотность больше, чем всех других легких сплавов, но по удельной прочности они уступают только бериллиевым. При достаточно низком содержании углерода, кислорода и азота они довольно пластичны. Электрическая проводимость и коэффициент теплопроводности титановых сплавов малы, они стойки к износу и истиранию, а их усталостная прочность гораздо выше, чем у магниевых сплавов. Предел ползучести некоторых титановых сплавов при умеренных напряжениях (порядка 90 Мпа) остается удовлетворительным примерно до 600 ˚C, что значительно выше температуры, допустимой как для алюминиевых, так и для магниевых сплавов. Титановые сплавы достаточно стойки к действию гидроксидов, растворов солей, азотной и некоторых других активных кислот, но не очень стойки к действию галогеноводородных, серной и ортофосфорной кислот.

Титановые сплавы ковки до температур около 1150 ˚C. Они допускают электродуговую сварку в атмосфере инертного газа (аргона или гелия), точечную и роликовую (шовную) сварку. Обработке резанием они не очень поддаются (схватывание режущего инструмента). Плавка титановых сплавов должна производиться в вакууме или контролируемой атмосфере во избежание загрязнения примесями кислорода или азота, вызывающими их охрупчивание. Титановые сплавы применяются в авиационной и космической промышленности для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах (150–430 ˚C), а также в некоторых химических аппаратах специального назначения. Из титанованадиевых сплавов изготавливается легкая броня для кабин боевых самолетов. Титаналюминиевованадиевый сплав – основной титановый сплав для реактивных двигателей и корпусов летательных аппаратов.

Бериллиевые сплавы. Пластичный бериллиевый сплав можно получить, например, вкрапляя хрупкие зерна бериллия в мягкую пластичную матрицу, такую, как серебро. Сплав этого состава удалось холодной прокаткой довести до толщины, составляющей 17% первоначальной. Бериллий превосходит все известные металлы по удельной прочности. В сочетании с низкой плотностью это делает бериллий пригодным для устройств систем наведения ракет. Модуль упругости бериллия больше, чем у стали, и бериллиевые бронзы применяются для изготовления пружин и электрических контактов. Чистый бериллий используется как замедлитель и отражатель нейтронов в ядерных реакторах [5].

1.2.Методы исследования структуры металлов и сплавов

К методам, изучающим строение металлов и сплавов, относят рентгеноструктурный и металлографический.

Металлографическим методом исследуют макро- и микроструктуру металлов и сплавов. Структуру металла, видимую невооруженным глазом или при небольших увеличениях (до 30 раз), называют макроструктурой. Макроскопический анализ позволяет выявить величину, форму и расположение кристаллических зерен в литом металле, направление волокон в деформированном металле, усадочные и газовые раковины, рыхлости, трещины, химическую неоднородность, характер его излома и т.д. Обычно макростроение металла изучают на макрошлифах или по изломам. Макрошлиф представляет собой специально подготовленную к исследованию часть детали или заготовки. Поверхность макрошлифа шлифуют наждачной бумагой или на специальном станке. При макроскопическом исследовании структуры металлов используют оптические или электронные микроскопы. Обычно применяют металлографические микроскопы с увеличением 50–3000 раз. Это позволяет определить микроструктуру металла(величину и форму зерен, структурные составляющие, вид и распределение металлических включений и др.) на специальных шлифах. Для этого из изделий вырезают цилиндрики диаметром и высотой 10-15 мм или кубики с ребром около 10 мм. Одну из плоских поверхностей микрошлифа обрабатывают шлифованной бумагой, а затем полируют на сукне до зеркального блеска. Качество изготовления шлифа проверяют под микроскопом. При этом наблюдают также распределение неметаллических включений (графита, сульфидов, окислов и т.д.). Для выявления структуры шлиф подвергают травлению в слабых спиртовых и водных растворах кислот или щелочей, а также в смеси различных кислот. В результате травления на поверхности шлифа появляется микрорельеф вследствие неодинаковой травимости структурных составляющих, границ зерен и зерен. Этот микрорельеф при рассмотрении шлифа в микроскоп создает сочетание света и тени. Исследование структуры ведется в отраженном свете. Структура, протравленная в большей степени, оказывается под микроскопом более темной по сравнению с менее протравленной. Электронный микроскоп дает увеличение до 100 000 раз, что значительно расширяет область применения микроструктурного анализа. В этом микроскопе вместо световых используют электронные лучи, испускаемые вольфрамовой раскаленной спиралью. Сейчас разработаны способы микроскопического исследования образцов металла в вакууме. В результате стало возможным изучение структур металлов и сплавов при повышенных температурах. Особенности атомно-кристаллического строения изучаются с помощью рентгеноструктурного анализа. Этот вид анализа основан на дифракции рентгеновских лучей рядами атомов в кристаллической решетке. Рентгеноструктурным методом исследуют внутреннее строение кристаллических решеток, фазовый состав, величину зерен и т.д., используя специальные образцы (в том числе и порошка). Кроме того, рентгеновский метод применяют для контроля литых, кованых и сварных деталей, выявления раковин, пустот, пористости, непроваров и т.д. Современные рентгеновские установки позволяют контролировать стальные детали на глубину до 100 мм, сплавы на алюминиевой основе — до 400 мм, сплавы на медной основе — до 60 мм [4].

К физическим относят термический, дилатометрический, электрический, магнитный и другие методы исследования. По изменению физических свойств сплава можно определять происходящие в нем превращения. Например, температуры аллотропических превращений железа можно определить по изменению объема или длины (дилатометрический метод) или электросопротивления (электрический метод) при нагреве и охлаждении стандартных образцов.

Магнитный метод используют для  исследования превращений в сплавах. Он основан на зависимости магнитных  свойств сплава от структуры или  состава. Магнитный метод контроля позволяет также выявлять (главным образом в чугунах и сталях) мелкие трещины, раковины, поры, расположенные близко к поверхности, а также качество термической обработки.

Метод радиоактивных изотопов (меченных атомов) применяют для изучения процессов диффузии, распределения специальных элементов, введенных в сплав и др. Наблюдая следы перемещения меченых атомов, можно установить распределение различных структурных составляющих сплава [6].