Цветные металлы и сплавы

Кафедра ПАСТ и АХ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ Пожарная безопасность, Техносферная безопасность ЛЕКЦИЯ Цветные металлы и сплавы ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: БРУСЯНИН ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ КАНДИДАТ ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК 2020 © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2020 Учебные вопросы 1. Алюминий и его сплавы 2. Медь и ее сплавы 3. Магний, титан и их сплавы © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 2 Рекомендуемая литература по теме занятия 1. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебное пособие / Под ред. В.С. Артамонова – СПб.: СПб УГПС МЧС России, 2012 – 312 с. Режим доступа: http://elib.igps.ru/?17&type=card&cid=ALSFR-01d81d17-ffa4-4a898b17-db9c0969492e 2. Королева Л.А., Брусянин Д.В. Технология конструкционных материалов и её роль в обеспечении техносферной безопасности: учебное пособие. - СПб.: СПб УГПС МЧС России, 2017. 168 с. Режим доступа: http://elib.igps.ru/?15&type=card&cid=ALSFR-a34357df-43e9-45c19354-105709fc9ea0&remote=false © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 3 Рекомендуемая литература по теме занятия 3. Брусянин Д.В., Королева Л.А. Методы определения и изменения свойств материалов в техносфер- ной безопасности. Лабораторный практикум: учебное пособие. - СПб.: СПб УГПС МЧС России, 2017. 112 с. Режим доступа: http://elib.igps.ru/?5&type=card&cid=ALSFR-2baa5933-47f7-424ba617-621e0095e44f&remote=false 4. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведении. —3-е нзд., перераб. и доп. —М.: Машиностроение, 1990. —528 с. Режим http://elib.igps.ru/?22&type=card&cid=ALSFR-2a1e0bedдоступа: 45e3-44e4-a530-7e3bce3a6eda&remote=false © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 4 Рекомендуемая литература по теме занятия 5. Маталловедение и технология материалов. / Под ред. Солнцева Ю.П. – М.: Металлургия, 1988. – 512 с. Режим доступа: http://elib.igps.ru/?20&type=card&cid=ALSFR-49e97c44-86da-457fb696-f350c2381fce 6. Колесник П. А. Материаловедение на автомобильном транспорте: Учебник для вузов. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: доп. —М.: Транспорт, 1987.— 271 с. Режим доступа: http://elib.igps.ru/?33&type=card&cid=ALSFR-fe4e7d4f-2918-407d9141-5c29510a372d&remote=false © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 5 ВОПРОС № 1. АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ Алюминий - легкий металл серебристо-белого цвета. Плотность (ρ) - 2,7 г/ см3. Кристаллическая решетка – гранецентрированный куб. Алюминий не имеет полиморфных превращений. Температура плавления 660 °С. Твердость НВ - 25 ед. Предел прочности на разрыв (σв) – 880-100 Мпа.. Относительное удлинение при разрыве (δ) - 40%. Алюминий окисляется на воздухе, образуя на поверхности пленку окисла Al2O3. предохраняющую его от дальнейшей коррозии в атмосферных условиях, воде и других средах. © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 6 Широкое применение алюминия и его сплавов обусловлено следующими свойствами: 1) Малая плотность алюминиевой детали - составляет треть массы стальной детали таких же размеров; 2) Устойчив к коррозии на воздухе и в среде многих газов и жидкостей; 3) Обладает высокой отражательной способностью; 4) Алюминиевые сплавы по прочности сравнимы со сталями обыкновенного качества; 5) Отличается относительно высокой упругостью и не становится хрупким при низких температурах; 6) Хорошо поддается обработке резанием и давлением - его можно раскатать в фольгу толщиной 0,01 мм и меньше; 7) Удельная электропроводность составляет 60% от электропроводности меди. © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 7 В зависимости от содержания примесей первичный алюминий разделяют на: 1.Особой чистоты А999 (0,01% примесей, 99,999% - Al); 2. Высокой частоты А995, А99, А97, А95 (0,005-0,05% примесей, 99,995 - 99,95 % - Al); 3. Технической чистоты А85, А8, А7, А6, А5, А0 (0,15-1,0% примесей). © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 8 Сплавы алюминия подразделяются по технологии изготовления на: 1. Деформируемые 2. Литейные 3. Спеченные по способности к термической обработке на: 1. Упрочняемые 2. Неупрочняемые. © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 9 Деформируемые AL сплавы Деформируемые сплавы содержат меньше легирующих элементов, обладают высокой пластичностью, хорошо обрабатываются давлением. Деформируемые сплавы (ГОСТ 4784– 74) маркируются буквами АД (алюминий деформируемый) и порядковым номером в ГОСТ. АД00, АД0, АД1,АД - Алюминий технически чистый. АД31, АД33, АД35, АВ - Сплавы алюминий-магний-кремний (авиали). Коррозионностойкие сплавы (алюминий-магний, алюминиймарганец). Пример. Сплав АМг2 ГОСТ 4784–74 – алюминиевый сплав с содержанием 2 % магния и 98% - алюминия. © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 10 К ним так же относятся дуралюмины и ковочные сплавы алюминия. Дуралюмины - сплавы алюминия с медью, магнием, небольшими добавками марганца, термически упрочняемые (закалка + старение) сплавы. Маркируются буквой Д и порядковым номером в ГОСТ 4784–74. : Д1, Д6, Д16, Д18. Дуралюмины характеризуются высокой прочностью, достаточной твердостью и вязкостью. Пример. Сплав Д16 ГОСТ 4784–74 – дуралюмин № 16. Основным способом защиты листов дуралюмина от коррозии является плакирование – нанесение защитного слоя из чистого алюминия на обе поверхности листа из дуралюмина. © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 11 Ковочные сплавы алюминия содержат медь, магний, марганец, кремней, железо. Применяются для изготовления деталей методом горячей обработки давлением – ковкой, штамповкой. Эти сплавы маркируются буквами АК и цифрой, обозначающей условный номер сплава по ГОСТу. Например АК4, АК6, АК8 и т.д. \ Пример. Сплав АК6 – алюминиевый ковочный сплав № 6 по ГОСТ 4784–74. Сплавы АК, в которых после буквы К стоят другие цифры и буквы, относятся к литейным по ГОСТ 1583–89. Пример. Сплав АК6М2 – алюминиевый литейный сплав с содержанием 6 % кремния и 2 % меди по ГОСТ 1583–89. © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 12 Высокопрочные алюминиевые сплавы маркируют буквой В и их порядковым номером в ГОСТ 4784–74. Пример. Сплав В95 ГОСТ 4784–74 – высокопрочный алюминиевый сплав № 95. Литейные AL сплавы К литейным относятся алюминиевые сплавы (ГОСТ 1583–89) с содержанием 6…13 % кремния (силумины), хуже литейные свойства у сплавов с 4…5 % меди или 5…12 % магния с добавкой марганца. © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 13 Силумины – наиболее распространенные литейные сплавы алюминия с кремнием. Кремний имеет плотность 2,4 г/см3, поэтому его добавка не увеличивает массы алюминиевых сплавов. До 1989 года действовала старая маркировка, которая состояла из букв АЛ и порядкового номера в стандарте. Пример. Сплав АЛ 4 – алюминиевый литейный сплав № 4 по ГОСТ. © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 14 С 1989 года действует новая маркировка В марке литейных сплавов после буквы А стоят буквы, обозначающие легирующие элементы и сразу после нее – число весовых процентов данного элемента (середина марочного интервала). Пример: Сплав АМ5 ГОСТ 1583–89 – алюминиевый литейный сплав с содержанием 5 % меди и 95% алюминия. В конце марки могут быть строчные буквы, указывающие на количество примесей в сплаве: ч – чистый; пч – повышенной чистоты; оч – особой чистоты; р – рафинированный; л – литейный. Пример: Сплав АК9пч ГОСТ 1583–89 – алюминиевый литейный сплав с содержанием 9 % кремния, 91% алюминия, повышенной чистоты. © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 15 Легирую щие элементы Маркировка буквенная цифровая Аl чистый Mn АД00 1010 АMn 1400 Мg -Mn АМг1 АМг5 АВ 1510 1550 1343 Д1 Д16 Д18 1100 1160 1187 Мg - Si Сu-Мg Легирующие элементы Маркировка буквенная цифровая Сu, Мg, Mn, Si Сu, Мg, Fe, Ni, Si Zn-Мg АК6 АК8 АК4 АК4-1 - 1360 1380 1140 1141 1911 Zn-Мg-Сu В95 В95Ц1 Д20 - 1950 1960 1200 1201 Сu - Mn © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 16 Цифровая маркировка сплавов цветных металлов Первая Обозначение основного элемента сплава. 1160 сплав цифра цифра «1» – алюминиевый Вторая цифра Основные легирующие элементы. цифра «1» - Сu-Мg, Сu-Мg -Fe-Ni; цифра«2» - Сu-Li-Cd-Mn, Сu-Mn; цифра«3» - Fe-Ni – Si; цифра«4» - Сr, Ni, Be. Третья цифра Четвертая цифра Порядковый № сплава. Вид сплава. цифра «0» или «нечетная» цифра – деформируемый сплав; «четная» цифра – литейный сплав; цифра «9» – металлокерамический сплав; цифра «7» – проволочный сплав. ВОПРОС № 2. МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ Медь – пластичный металл красного цвета. Плотность (ρ) - 8,9 г/ см3. Кристаллическая решетка – гранецентрированный куб. Температура плавления 1083 °С. Твердость НВ - 85 -115 ед. Предел прочности на разрыв (σв) – 150-250 Мпа.. Относительное удлинение при разрыве (δ) - 50%. Для изготовления деталей машин чистая медь почти не применяется из-за низкой механической прочности. © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 18 По тепло- и электропроводности медь занимает второе место после серебра, но ввиду ее большого практического значения эти свойства меди принято считать эталоном (100%), по отношению к которому оцениваются другие металлы. В зависимости от химического состава различают следующие марки технической меди: М00 (99,99% меди), М0 (99,95%), М1 (99,90%), М2 (99, 70% меди), М3 (99,50%) и М4 (99,00%). Примесями в технической меди являются свинец, висмут, сурьма, водород, кислород, азот и др. © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 19 Медные сплавы По технологическим характеристикам медные сплавы делятся на: - деформируемые - литейные. По химическому составу медные сплавы подразделяют на три основные группы: - латуни, - бронзы - медноникелевые сплавы. © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 20 Латунями называется медные сплавы, в которых основным легирующим элементом является цинк. Двойные латуни маркируются буквой «Л» и цифрой, показывающей среднее содержание меди в процентах. Например, Л90 содержит около 90% меди, остальное - цинк. Латуни с содержанием более 90% меди называются томпаком (Л96), при 8090% меди - полутомпаком (Л80). В многокомпонентных латунях кроме цифры, показывающей содержание меди, даются буквы и цифры, обозначающие название и количество в процентах легирующих элементов. Буквы основных элементов, образующих состав: О- олово; Ц- цинк; Мц – марганец; А – алюминий; Ж- железо; Ф-фосфор; Б – бериллий; Х- хром; Н-никель и др., после них цифры, указывающие % содержание легирующих элементов. © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 21 В деформируемых латунях всегда указывают процентное содержание меди. Например: ЛЖМц59-1-1 деформируемая латунь, содержащая 59% меди, 1% железа и 1% марганца. Остальное – цинк (39%). Характерной особенностью литейных латуней, в отличие от обрабатываемых давлением, является их легирование в больших количествах цинком и другими металлами. Например: ЛЦ23А6Ж3Мц2 – литейная латунь, содержащая 23% цинка, 6% алюминия; 3% железа; 2% марганца, остальное – медь (66%). © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 22 Алюминиевые латуни (ЛА77-2, ЛА85-0,6) - основной легирующей добавкой является алюминий, который сообщает латуням повышенную прочность, твердость и коррозионную стойкость. Кремнистые латуни (ЛК80-3, ЛКС65-1,5-3 и др.) обладают высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и в морской воде, а также высокими механическими свойствами. Кремнистая латунь широко применяется для изготовления деталей в морском судостроении. Никелевые латуни (ЛН65-5 и др.) отличаются высокими антикоррозионными и антифрикционными свойствами, повышенной прочностью и вязкостью. Оловянистые латуни (ЛО90-1, ЛО70-1 и др.) отличаются повышенными антифрикционными и коррозионными свойствами, хорошо механически обрабатываются. © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 23 Бронзами называются сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием и другими добавками, среди которых цинк не является основной добавкой. Различают 2 группы бронз: - оловянные - безоловянные. Бронзы маркируются по аналогии с латунями буквами Бр и далее буквы компонентов сплава с последующим указанием их количества в %. Количество меди определяется остальным содержанием в %. Пример: БрОФ 6,5-0,15 - деформируемая бронза, олова – 6,5%, фосфора 0,15%, остальное – медь, 93,35%. Пример: БРО5Ц5С5 – литейная бронза, 5% свинца, 5% цинка; 5% олова, остальное – медь, 85%. © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 24 Алюминиевые бронзы среди медных сплавов выделяются высокими механическими, коррозионными и антифрикционными свойствами, в связи с чем их используют в машиностроении для деталей конструкционного назначения. В промышленности используют как двойные сплавы меди с алюминием БрА5, БрА7, БрА10, так и более сложные по составу бронзы с добавками марганца, железа, никеля и других элементов - БрАЖ9-4, БрАМц9-2. Кремнистые бронзы характеризуются высокими антифрикционными и упругими свойствами, коррозионной стойкостью. Наиболее распространенная марка БрКЦ4-4 (4% кремния, 4% цинка, остальное медь) используется как заменитель более дефицитных оловянистых бронз, например, БрОЦС5-5-5. Кремнистая бронза превосходит оловянистую в отношении коррозионной стойкости, механических свойств и плотности отливки. © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 25 Бериллиевые бронзы отличаются высокими прочностными свойствами, износостойкостью и стойкостью к воздействию коррозионных сред. Бериллиевая бронза БрБ2 служит материалом для изготовления долговечных пружин, мембран, пружинящих контактов. Кроме того, бериллиевую бронзу используют для изготовления безыскрового инструмента. При ударе бериллиевой бронзы о металл или камень не получаются искры, как у стали. Поэтому такой инструмент применяется при взрывоопасных работах. Свинцовые бронзы используют в парах трения, эксплуатируемые при высоких скоростях. Свинцовые бронзы для повышения механических свойств и коррозионной стойкости легируют никелем и оловом. © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 26 Медноникелевые сплавы имеют исключительно большое значение в технике. Легирование меди никелем значительно повышает ее механические свойства, коррозионную стойкость, электросопротивление и термоэлектрические характеристики. © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 27 ВОПРОС№ 3 МАГНИЙ, ТИТАН И ИХ СПЛАВЫ МАГНИЙ Магний – легкий серебристый металл. Плотность (ρ) – 1,73 г/ см3. Кристаллическая решетка – многогранная призма (гексагональная) плотноупакованная. Температура плавления 650 °С. Предел прочности на разрыв (σв) – 180 МПа. Относительное удлинение при разрыве (δ) – 5 %. © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 28 В зависимости от химического состава (ГОСТ 804-93) установлены следующие марки магния: Мг80, Мг90, Мг95 и Мг98, где Mг - означает магний, цифры - содержание магния после запятой в процентах. Пример: Мг80 - магний первичный с содержанием магния 99,80%. © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 29 Магниевые сплавы – это сплавы магния с алюминием, марганцем, медью, кремнием, бериллием, цинком, цирконием и т.д. Магниевые сплавы имеют буквенно-цифровую систему обозначения марок. Буквы указывают соответствующую группу, а цифры – порядковый номер сплава. Магниевые сплавы подразделяют на две группы: • деформируемые (ГОСТ 14957-79); • литейные (ГОСТ 2856-79). © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 30 Марки деформируемых сплавов: МА1, МА2, … МА21. Например: МА15 - марка магниевого деформируемого сплава с порядковым № 15. Марки литейных сплавов: МЛ3, МЛ4, … МЛ19. Например: МЛ3 – марка магниевого литейного сплава с порядковым № 3. © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 31 Достоинства магниевых сплавов:  хорошая обрабатываемость резанием  хорошая свариваемость,  высокая удельная прочность. Недостатки магниевых сплавов:  меньшая прочность, чем алюминиевых,  меньшая коррозионная стойкость  легкая воспламеняемость при нагревании. © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 32 ТИТАН Титан –металл серебристо-белого цвета. Плотность (ρ) – 4,5 г/ см3. Кристаллическая решетка – многогранная призма (гексагональная) плотноупакованная. Полиморфен. Температура плавления 1650-1680 °С. Предел прочности на разрыв (σв) – 300 МПа. Относительное удлинение при разрыве (δ) – 65 %. При нагреве выше 500 °С титан становится очень активным элементом. При высокой температуре титан либо растворяет все соприкасающиеся с ним вещества, либо образует с ними химические соединения. © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 33 Маркировка титана в большинстве случаев представляет собой букву «Т». Исторически сложилась система маркировки титановых сплавов, отражающая наименование организации-разработчика и порядковый номер разработки сплава. Марка ВТ означает «ВИАМ» титановый сплав (разработчик «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов», г. Москва). Марка ОТ означает «Опытный» титановый сплав (сплавы, разработанные совместно ВИАМом и заводом ВСМПО г. Верхняя Салда, Свердловской области). Марка ПТ означает «Прометей» титановый сплав – (разработчик ЦНИИ КМ «Прометей», г. Санкт-Петербург.) © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 34 Среди наиболее популярных титановых сплавов, стоит отметить следующие деформируемые сплавы: ВТ5; ВТ5-1; ОТ4; ОТ4-0; ОТ4-1; ВТ18; ВТ20; ВТ22; ВТ8; ВТ9; ВТ6; ВТ6С; ВТ15. Литейные титановые сплавы 8 марок: ВТ1Л, ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ14Л, ВТ20Л, ВТ3-1Л, ВТ9Л, ВТ21Л. Две марки чистого титана ВТ1-00 и ВТ1-0, которые различаются суммой примесей: 0,58% и 0,84% соответственно. © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 35 Преимущества титановых сплавов:  Сочетание высокой прочности, достигающей σв =800-1500МПа с хорошей пластичностью δ =12-25%.  Относительно высокая жаропрочность. Их можно использовать до t =600-700оС.  Высокая коррозионная стойкость.  Высокая ударная вязкость при низких температурах …до -253оС Недостаток титановых сплавов:  Плохая обрабатываемость режущим инструментом;  Высокая стоимость. © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 36 Спасибо за внимание © САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ, IGPS.RU, 2019. 37