11. Бериллий и его сплавы.

Бериллий и его сплавы

Сплавы на основе бериллия необходимы для обеспечения высокой жесткости при малой плотности, достаточной прочности, стабильности формы и размеров, высокой коррозионной стойкости.

Температура плавления бериллия 1287°С. Кристаллическая решетка ГПУ до 1250°С, выше - ОЦК.

Бериллий обладает следующими свойствами:

-      малая плотность (1,85 г/см3), позволяющая использовать сплавы в конструкциях приборов в тех случаях, когда нет специальных требований к большой прочности и твердости,

-      низкая пластичность, характерная для материалов с ГПУ решеткой,

-      высокая коррозионная стойкость при температурах меньше 600°С за счет присутствия плотной пленки оксида BeO,

-      диамагнетизм, преодолевающий парамагнетизм электронного газа,

-      высокая теплопроводность, связанная с высокой электропроводностью, облегчающая перераспределение тепла в объеме деталей,

-      возможность качественного полирования,

-      токсичность, проявляющаяся при механической обработке.

К особенностям бериллия как конструкционного материала следует отнести:

-      высокий модуль упругости (E~300 ГПа) и удельный модуль упругости (16600 км), наибольший среди других конструкционных материалов,

-      коэффициент теплового расширения близкий к сталям (11·10^-6 1/К),

-      токсичность бериллиевой пыли, образующейся при механической обработке,

-      необходимость применения защитных атмосфер при получении изделий методом сварки из-за высокой химической активности бериллия.

 

Сплавы бериллия

Наиболее перспективным для применения является сплав бериллия с алюминием (38%), имеющий достаточную пластичность по сравнению с чистым бериллием за счет большой доли пластичной, алюминиевой фазы, но при этом происходит снижение модуля упругости E до 190 ГПа.

 

 

12. Медь и ее сплавы. Латуни.

Медь и ее сплавы

Материалы на основе меди используются в тех случаях, когда необходима высокая технологичность (жидкотекучесть, обрабатываемость давлением, резанием, свариваемость, паяемость), хорошая электро- и теплопроводность.

Температура плавления чистой меди 1083°С. Кристаллическая решетка ГЦК.

Для меди характерны следующие свойства:

-      относительно высокая плотность (8,9 г/см³), затрудняющая использование в современной технике, требующей уменьшения массы изделий,

-      высокая пластичность, характерная для материалов с ГЦК решеткой,

-      относительно высокая коррозионная стойкость при низких температурах с образованием на поверхности оксида Cu₂O,

-      диамагнетик, магнитный момент которого обеспечен в основном электронами электронного газа,

-      высокая хладостойкость, так как сплавы с ГЦК решеткой не имеют порога хладоломкости,

-      возможность упрочнения термической обработкой некоторых медных сплавов,

-      высокая теплопроводность, связанная с высокой электропроводностью, облегчающая перераспределение тепла в объеме деталей,

-      возможность качественного полирования.

К особенностям меди как конструкционного материала следует отнести:

-      относительно невысокий модуль упругости (E~120 ГПа), при этом низкий удельный модуль упругости (1340 км) не позволяет медным сплавам конкурировать с другими конструкционными материалами,

-      коэффициент теплового расширения – 16·10^-6 1/К.

 

Техническая медь

Техническая медь, как и ее сплавы, содержит примеси, основными из которых являются висмут, сурьма, свинец, сера, кислород. Наиболее вредная примесь - висмут, который, не растворяясь в меди, располагается по границам зерен в виде хрупких прослоек. Содержание примесей изменяется от 0,01% (М00) до 0,5% (М3). Пластическая деформация приводит к значительному упрочнению меди при соответствующем падении пластичности.

 

Медные сплавы

В медь вводятся наиболее часто цинк, алюминий, олово, железо, кремний марганец, никель, бериллий, кадмий. Все легирующие элементы (кроме свинца) в большей или меньшей степени увеличивают прочность, некоторые из них увеличивают пластичность при концентрации: алюминия (до 4%), кремния (до 3%), железа (до 1%).

По виду основных легирующих элементов медные сплавы принято делить на латуни, бронзы и медноникелевые сплавы.

В маркировке медных сплавов первые буквы указывают на вид сплава: Л- латунь, Бр – бронза, МН – медноникелевый сплав. Следующие буквы соответствуют вводимым элементам К – кадмий, Б – бериллий, Н – никель, Мц – марганец, О – олово, Ф – фосфор, Ц – цинк, С – свинец, А – алюминий, Ж – железо. Количество легирующих элементов в процентах указано в деформируемых сплавах в конце в последовательности записанных элементов, для литейных сплавов – после каждого элемента.

В деформируемых латунях первым указывается процентное содержание меди.

 

Латуни

В качестве основного легирующего элемента в латунях используют цинк. До 39% цинк растворяется в меди, образуя твердый раствор a. При более высокой концентрации цинка возникает фаза малой пластичности и высокой твердости b`- упорядоченный твердый раствор цинка в меди  (комнатная температура). С появлением b`- фазы резко увеличивается прочность и снижается пластичность. Основным способом упрочнения латуней является холодная пластическая деформация. К недостаткам латуней следует отнести склонность к появлению под действием остаточных напряжений трещин вдоль границ зерен и фаз, особенно в присутствии коррозионной среды. Устраняется уменьшением напряжений в процессе релаксационного отжига (~300°C)

 

Примеры промышленных латуней

Простые латуни

Л90 (10%Zn) (томпак) - однофазная латунь, имеющая высокую коррозионную стойкость,

Л68 (32%Zn) (патронная) - однофазная латунь, обладающая наиболее высокой пластичностью, что используется при получении изделий холодной штамповкой.

Л63 (37%Zn) - однофазная латунь, наиболее широко используемый сплав, так как содержит без потери пластичности большое количество более дешевого, чем медь цинка.

Л59 (41%Zn) - двухфазная латунь менее технологичная, чем однофазные латуни, так как присутствие b` - фазы уменьшает пластичность.

 

Специальные латуни

ЛА77-2 (21%Zn, 2%Al) - однофазная латунь, алюминий при данной концентрации, находясь в твердом растворе, обеспечивает более высокую прочность и пластичность сплава по сравнению с простой латунью того же состава.

ЛАН59-3-2 (36%Zn, 2%Al) - двухфазная латунь, добавление никеля кроме дополнительного упрочнения увеличивает коррозионную стойкость латуни и уменьшает ее склонность к коррозионному растрескиванию под действием напряжений.

ЛС59-1 - свинцовая латунь, двухфазный сплав, в котором присадка нерастворимого свинца обеспечивает ломкость стружки. Данная латунь может быть использована в качестве антифрикционного материала.

ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5 - единственный среди латуней сплав, для которого возможно дисперсионное упрочнение (закала, старение). После закалки эта латунь представляет собой пересыщенный твердый раствор легирующих элементов, обладающий высокой пластичностью. Последующее старение приводит  к выпадению дисперсных упрочняющих частиц. Особенно сильное упрочнение происходит, если перед старением проведена холодная пластическая деформация.

 

Литейные латуни

Они обладают рядом достоинств:

-       малый интервал кристаллизации, обеспечивающий хорошую жидкотекучесть,

-       образование плотного слитка за счет защитного действия цинка против газонасыщения.

ЛЦ23А6Ж3Мц2 - данная латунь имеет b` структуру за счет того, что легирующие элементы уменьшают растворимость цинка в меди, что приводит к образованию почти во всем объеме b`- фазы высокой прочности. Кроме этого нерастворимые в меди частицы железа способствуют формированию мелкозернистой структуры.