книги из ГПНТБ / Червякова, В. В. Сложные латуни и бронзы. Свойства, строение и вопросы технологии

ГЛАВА 2. ЛАТУНИ

Строение и свойства латуней

При сплавлении меди с цинком образуется ряд твердых растворов, области распространения которых описываются диаграммой состояния, приведенной на ри­ сунке 13. Практическое применение имеют сплавы, содер­ жащие до 50% цинка. Они представляют собой однофазные а- или двухфазные (а + Р)-латуни.

Богатая медью a-фаза, имеющая кубическую гранецен­ трированную решетку, сохраняется при температуре плав­ ления (903°) до 32,5 вес. % цинка. В процессе охлаждения до 453° концентрация цинка в твердом растворе увеличива­ ется до 39 вес.%, а затем, как считают исследователи [1,

Рис. 13. Диаграмма состояния системы медь — цинк [102].

31

102], вплоть до комнатной температуры практически не меняется. Однако С. Т. Конобеевский и В. П. Тарасова [ЮЗ] на основании рентгеноструктурного анализа утверждают, что в сплавах, прошедших длительную гомогенизацию (не­ сколько тысяч часов), предел растворимости при переходе к низким температурам уменьшается до 34,4% при 167° и до 33—32% вблизи 25°. Согласно некоторым данным [104], растворимость цинка в меди при комнатных температурах

которых наблюдается упорядочение твердого раствора. Дан­ ные по выявлению упорядочения в a-фазе подробно рассмот­ рены ь работе [109]. Процесс упорядочения a-фазы вызыва­ ет заметное изменение всех свойств латуней, являясь причи­ ной развития в них своеобразного процесса старения, наз­ ванного «гомогенным» старением латуней [НО].

Витоге многолетнего изучения медно-цинковых сплавов

иобобщения результатов работ других исследователей нами [109] предложен схематический вариант строения а-обла-

сти диаграммы состояния системы медь — цинк (рис. 14), на основе которого можно объяснить «аномальное» измене­ ние многих свойств латуней в зависимости от концентрации, температуры и состояния.

С увеличением содержания цинка сплавы от первичного твердого раствора переходят в двухфазную область. При 50 ат.% цинка в латунях образуется новая структурная со-

32

ставляющая — ß-фаза. При температуре выше 468° она име­ ет искаженную объемно-центрированную кубическую решет­ ку [111]. Ее устойчивость, как и других электронных фаз подобного типа, зависит от того, насколько отношение числа валентнйгх электронов к числу атомов близко к 3/г. Следовательно, ß-латунь, как и а, представляет собой твер­ дый раствор, но основой его является химическое соедине­

ние CuZn с периодом решетки 2,94 А. Выше 454—468° (в зависимости от состава) атомы меди и цинка в кристалли­ ческой решетке ß-фазы неупорядочены. При более низких температурах образуется упорядоченный твердый раствор с расположением атомов меди в углах решетки, а цинка — в

еецентре.

При высоких температурах область ß-фазы имеет до­

вольно большую протяженность. В процессе охлаждения ß-фаза распадается, выделяя а- или y-кристаллы, однако, как следует из принятой в настоящее время диаграммы состояния медь — цинк (рис. 13), линии, ограничивающие ß-латунь от двухфазных сплавов, не пересекаются вплоть до комнатной температуры. Иначе говоря, условия для раз­ вития эвтектоидного распада ß-фазы в системе медь — цинк не достигаются.

Необходимо заметить, что вопрос об эвтектоидном пре­ вращении ß-латуни возникал неоднократно при исследова­ нии этих сплавов. Серьезные доказательства эвтектоидного превращения приводил в свое время Карпентер, результаты экспериментов которого подробно анализируются Бауером и Хансеном [102]. Некоторые исследователи [112] считали превращение в ß-фазе полиморфным. Позднее появилось мнение, что переход ß->ß' совершается не при определенной температуре, а в интервале температур и не зависит от вре­ мени, являясь функцией только температуры [113]. Таким образом, это превращение является, подобно магнитному, процессом в гомогенной среде. В 1927 г. Иогансон [114] выдвинул гипотезу о том, что ß-, как и ß'-фаза, является упо­ рядоченной, но при более низких температурах происходит определенная ориентация «атомных осей инерции» несфе­ рических атомов цинка, которая нарушается при повыше­ нии температуры из-за тепловых колебаний атомов. При этом, по существу, происходит перегруппировка внешних электронов, вызывающая некоторое расширение кристалли­ ческой решетки.

Тамман и Хенслер [115] подтвердили, что превращение в ß-фазе заметно уже при 170°, причем оно не подавляется закалкой. Они впервые высказали мнение о том, что превра­ щение ß'->-ß является переходом упорядоченного твердого

раствора ß' на основе соединения CuZn вследствие его по­ стоянной диссоциации в твердый раствор с неупорядочен­ ным распределением цинка в решетке меди. Аномальное изменение электросопротивления, пластичности, параметра кристаллической решетки ß-фазы, найденное А. А. Пресня­ ковым и Г. В. Стариковой [116], заставило их вновь вер­ нуться к точке зрения Карпентера об эвтектоидном распа­ де ß-фазы. Они предположили, что существующая диаграм­ ма состояния в ß-области неравновесна, эвтектоидное пре­ вращение протекает в стабильном состоянии, которое в обычных условиях не достигается.

С аналогичной точки зрения выступали еще раньше Г. В. Курдюмов и сотрудники [117, 118]. Результаты, близ­ кие к данным их опытов, получены в работе [119].

При тщательном исследовании строения и различных свойств ß-латуней в зависимости от температуры, состава и состояния мы пришли к заключению, что в этой фазе в интервале от комнатной температуры до плавления совер­ шается несколько превращений. Кроме известного перехода ßz->ß при 468° ß'-фаза подвергается превращению при тем­ пературах 200, 310, 400, 450, 550, 650 и 850°. На превраще­ ние ß-латуни вблизи 200° указывал и Браун [120]. Мы под­ твердили существование этой критической точки при термо­ графических исследованиях: тепловой эффект был обнару­ жен при 197°. Превращения около 310, 400 и 450° были найдены при изучении реотропического возврата у ß-латуни [121]. Они проявляются в аномальных всплесках пластич­ ности и обнаруживаются рентгеноструктурным анализом по заметному изменению рентгеновских интерференций. При­

У сплавов, закаленных с 550°, обнаруживаются две фа­ зы с микротвердостью 150 и 190 кг/мм2 и разными параме­ трами кристаллической решетки, которые отличаются на 0,004 kX. Превращение при 650° выявляется по всплескам пластичности, а также фиксируется другими методами [124]. О природе этого превращения пока ничего не извест­ но. Около 850° происходит, видимо, окончательная диссо­ циация соединения CuZn перед плавлением, приводящая к переходу сплава в сверхпластичное состояние. О его диссо­ циации можно судить по виду линий солидуса и ликвиду­ са, на которых нет сингулярных точек. Развитие превраще­ ний в ß-латуни выше 468° опровергает существующее в на­ стоящее время мнение о том, что распад соединения CuZn происходит при 468°.

34

Некоторые из этих превращений, особенно в низкотемпе­ ратурной области, инициируются предварительной дефор­ мацией и не обнаруживаются или же слабо выявляются при обычных методах исследования. Следует заметить, что из-за близости факторов рассеяния рентгеновских лучей атомами меди и цинка трудно получить прямое доказатель­ ство упорядоченного состояния ß-фазы. В. Д. Мелиховым и

Рис. 15. Микроструктура отожженных латуней: а — а-латунь; б—ß-ла-

структурном анализе ß-латуни монохроматическое CuKß-из- лучение, было доказано образование сверхструктуры. На дифрактограммах четко выявились сверхструктурные отра-. жения, интенсивность которых возрастала с увеличением времени отжига деформированных образцов ß-латуни.

Микроструктура равновесных латуней. Микроструктура, латуней, характеризующаяся фазовым составом, величиной и формой зерен, оказывает заметное влияние на их свойст­ ва, и в ряде случаев ее особенности предусматриваются спе­

35-

циальными техническими условиями. Строение равновес­ ных а-латуней мало отличается от строения меди. При ми­ кроанализе также четко выявляются полиэдрические зер­ на с двойниками отжига (рис. 15). Их величина зависит от предыстории сплава и определяется степенью развития ре­ кристаллизации. Последняя протекает тем интенсивнее, чем выше степень предварительной обработки латуней и темпе­ ратура их отжига. Увеличение времени отжига способству­ ет более полному протеканию рекристаллизации и укруп­ нению зерен. С увеличением содержания цинка в сс-лату- нях температура рекристаллизации возрастает, и при про­ чих равных условиях зерно измельчается.

Отличительной особенностью ß-латуней является отсут­ ствие двойников (рис. 15,6). Отожженные образцы крупнокристаллитны, полиэдрические зерна разной величины на протравленных шлифах хорошо различаются невооружен­ ным глазом. В отожженных (после 50% степени деформа­ ции) a+ß-латунях a-фаза располагается на фоне основной ß-фазы в форме игольчатых выделений (рис. 15,в); после глубокого и продолжительного отжига она выявляется в виде более редких и округлых включений (рис. 15, г). Рекри­ сталлизация a-фазы начинается значительно раньше и в обычно отожженных сплавах ß-кристаллы после термиче­ ской обработки не претерпевают существенных изменений.

Свойства латуней. Сейчас уже совершенно ясно, что в кристаллических решетках а- и ß-латуней при определен­ ных условиях устанавливается порядок атомов, которому свойственны черты дальнего. С этими превращениями в большей или меньшей степени связано изменение всех свойств латуней в зависимости от концентрации и темпера­ туры. Нами приводятся наиболее важные сведения о влия­ нии упорядочения на свойства латуней, главным образом на механические, так как именно эти данные необходимо учи­ тывать, анализируя поведение сплавов в производственных условиях.

По мнению Муто и Такаги [126], пластические свойства сплавов не должны сильно изменяться в процессе упорядо­ чения, хотя результаты экспериментов [127—129] свиде­ тельствуют об обратном. Интересными в этом отношении являются данные об изменении пластичности и прочности с концентрацией a-латуней при разных температурах, полу­ ченные Ю. Ф. Ключниковым [127]. Исследуя большое чис­ ло сплавов с малой разницей в их составе, он выявил осо­ бенности изменения свойств вблизи стехиометрических со­ ставов CugZn и СизИп, а также при переходе в область тем­ пературного разупорядочения.

36

Опыты показывают, что прочность меди при добавлении цинка повышается, однако упрочнение, вызванное легиро­ ванием, нарастает с концентрацией неравномерно. Наиболее интенсивное повышение прочности обнаруживается вблизи 10, 20 и 30 вес. % цинка. Максимумы на изотермах при всех температурах вплоть до 700° возле указанных составов свя­ заны с образованием упорядоченных растворов на основе интерметаллических соединений CvuZn и CgZn, оконча­ тельная диссоциация которых происходит выше 700°. Ано­ мальное повышение прочности при 33% цинка объясняется появлением в структуре сплавов твердой и хрупкой ß-фазы.

Влияние упорядочения было обнаружено и при изучении температурной зависимости пластичности этих сплавов. Об­ щее уменьшение деформируемости с концентрацией в этом случае относительно невелико и его можно не учитывать в практике обработки металлов давлением, однако пониже­ ние показателей в определенных температурных интерва­ лах для некоторых концентрационных областей весьма зна­ чительно. Высокая пластичность меди (ір=0,8—0,9) в а-ла- тунях сохраняется вплоть до 200°, затем она резко снижа-

Рис. 16. Пластичность а-латуней, близких к составу Cu9Zn. а: 1 — Л94;

2 — Л92; 3 — Л91; 4 — Л90; 5 — Л89; б-. 1 — Л89; 2 — Л88; З— Л86; 4 — Л80.

В интервале температур 300—400°, т. е. в начальной стадии развития зоны хрупкости, пластичность уменьшает­ ся с легированностью, не считая сплава с 20% Zn. В обла­ сти 500—700° изменение относительного сужения и удли­ нения выражается кривыми с минимумом, который прихо-

37

дится на сплав с 20% цинка [127]. Из рисунка 16 следует, что в области от 6 до 11 вес. % Zn кривые пластичности практически совпадают во всем температурном интервале, т. е. развитие зоны хрупкости для этих сплавов слабо зави­ сит от концентрации, хотя максимальное понижение пока­ зателей наблюдается у сплава с 10% цинка (рис. 16, кри­ вая 4). При содержании цинка от 11 до 14% имеет место прямая и более резко выраженная зависимость пластичности а-латуней от легированности твердого раствора. Таким об­ разом, в ряду концентраций имеются сплавы с резко непо­ хожими свойствами.

Особыми в этом отношении являются составы CugZn и Cu3Zn. Исследование пластичности и прочности латуней, близких к этим соединениям, показало, что закономерности изменения их свойств неодинаковы. Общим является обра­ зование температурной зоны хрупкости в интервале 300—

близких по составу к Cu3Zn, с 200° (рис. 17). Максимальное понижение пластичности в первом случае обнаруживается при 600°, во втором — при 500°.

Рис. 17. Пластичность а-латуней, близких к составу Cu3Zn. а: 1 — Л77; 2 —Л76; З —Л75; 4 — Л74.5, 5 — Л70; б: 1 — Л80; 2 — Л75; З —Л70; 4 —Л65; 5—Л60.

Группа сплавов, близких к Cr^Zn, характеризуется по­ явлением второго, слабо выраженного провала пластично­ сти. Первые его признаки обнаруживаются начиная с 20% цинка, затем он развивается все сильнее и, наконец, при концентрации цинка 24 и 24,6% проявляется в наибольшей

38

степени. При еще большей легированности латуней (25,5 и

'30 % цинка) второй провал пластичности постепенно вырож­ дается и при добавлении 35% цинка исчезает полностью. Сплав с 20 % Zn, лежащий на границе раздела двух куполов упорядочения, при 300—800° обладает наиболее высокой пластичностью, особенно начиная с 700°.

Изменение состояния и скорости деформирования корен­ ным образом меняет эти результаты. Так, у литой латуни стехиометрического состава CiuZn имеются четко выражен­ ные провалы пластичности при 500, 700° и намечается про­ вал около 300°. Развитие последнего усиливается после от­ жига образцов в течение 5 ч при 700°. После термообработ­ ки претерпевают изменения и эффекты вблизи 500 и 700°; первый из них становится слабее, а второй вообще исчезает. Они появляются снова, если температуру отжига снизить до 650° (рис. 18).

Рис. 18. Пластичность (о) и прочность (б) латуни с 25% цинка в различ­ ных состояниях: 1 — литая; 2, 3— отжиг при 700, 650° (5 ч).

Заметно меняется от состояния образцов и прочность данной латуни (рис. 18,6): у литой отмечается наименьшая зависимость предела прочности от температуры, а у отожженной при 700° — наибольшая. Во всех случаях спла­ вы имеют аномальное упрочнение вблизи 300°, а отожжен­ ные при 650° дополнительно упрочняются еще около 700°, т. е. наблюдается определенная корреляция между провалами пластичности и аномалиями прочности.

Данные о влиянии процесса упорядочения на свойства латуней были получены также при определении электросо­ противления сплава, содержащего 25% цинка, в зависимо­ сти от состояния [130]. Максимальное увеличение электро­ сопротивления после деформации достигало 14%, а разни­ ца его значений в результате термообработки составляла

39