Al i Cu 2015

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
//-->WYDZIAŁ INŻYNIERII MATERIAŁOWEJPOLITECHNIKI WARSZAWSKIEJLABORATORIUM MATERIAŁOZNAWSTWAMateriały pomocnicze do ćwiczenia"WAŻNIEJSZE STOPY MIEDZI I ALUMINIUMORAZ SPOSOBY ICH UMACNIANIA (Przykłady)"Opracował dr inż. Andrzej W. Kalinowski1.WIADOMOŚCI WSTĘPNEMiedź jest metalem stosowanym przez człowieka od bardzo dawna. Badaniaarcheologiczne wykazały, że była ona znana już 3000 lat przed nar. Chr. w starożytnymEgipcie. W pewnych okresach rozwoju materialnego dominowała jako tworzywometaliczne wśród ówcześnie znanych zaledwie kilku metali. Od stopów jej z cyną epokarozwoju cywilizacyjnego otrzymała nazwę "epoki brązu". Przeciętne właściwości miedziwyżarzonej zawiera tabela nr l.Jednym z najpóźniej poznanych przez człowieka metali, który zrobił zawrotnąkarierę jako główny składnik stopów konstrukcyjnych jest aluminium (glin). W postacimetalicznej wyodrębniony został w 1825 roku. Na skalę przemysłową aluminium i jegostopy zaczęto stosować dopiero w pierwszym dziesięcioleciu XX wieku. Prawie 70 latpotrzeba było na wynalezienie opłacalnych metod uzyskiwania metalicznego aluminium.Właściwości mechaniczne aluminium wyżarzonego o czystości 99,7%A1 podano wtablicy l.Tablica 1. Właściwości mechaniczne i niektóre fizyczne miedzi i aluminium. (5,6)MetalWłaściwości mechaniczneOdmianyGęstość Temp.alotropowe w 20°C topnieniaRmMPaCuR02MPaHBA10%Z%ok. 60 brakg/cm38,94°C1083210-240 25-4030-4040-60Al. (99.7%) 60-7020-301835-4597-99 brak2,7036601Z przeglądu zestawionych w tablicy l właściwości wytrzymałościowych miedzi ialuminium wynika, że są one niskie. Dlatego w postaci czystej nie znalazły onezastosowania jako materiały konstrukcyjne. Inne jednak ich cechy fizyczne, niezwyklecenne, jak dobre przewodnictwo elektryczne, cieplne, odporność na korozję atmosferyczną(wynikającą z pasywującego działania szczelnie przylegających do powierzchni tlenków)odporność na działanie wielu kwasów i zasad, spowodowały zastosowanie techniczne: Cuw przemyśle elektrotechnicznym, chemicznym, elektronicznym, energetycznym itp., Al. wprzemyśle spożywczym, elektrotechnicznym, chemicznym i energetycznym.Aby wykorzystać i częściowo zachować pożyteczne cechy fizyczne miedzi ialuminium a jednocześnie podnieść ich właściwości wytrzymałościowe sporządza się naich podstawie bardzo dużo stopów, od których wymaga się różnych właściwościfizycznych i chemicznych. Duża ich część stanowi grupę materiałów konstrukcyjnychposiadających niekiedy kilkakrotne większe właściwości wytrzymałościowe niż czystealuminium czy miedź. Dla porządku należy odnotować, że obok umocnieniaodkształceniowego najstarszą metodą stosowaną do metali w celu podwyższenia ichwłaściwości wytrzymałościowych jest nazywane współcześnie umacnianie roztworowe.Istota jego polega na tym, że atomy pierwiastków rozpuszczonych w sieci metalupodstawowego tworzą roztwory różnowęzłowe lub międzywęzłowe. Różnice średnicatomów pierwiastków stopów i atomów metalu będącego rozpuszczalnikiem, przypadkowolub w sposób uporządkowany (roztwory uporządkowane) ułożone w sieci przestrzennejroztworu, powodują lokalne odkształcenia sprężyste.Nie wnikając w szczegóły poglądów na mechanizm umocnienia obcymi atomami wroztworze, można powiedzieć, że wzrost naprężeń spowodowany odkształceniemsprężystym sieci składnika podstawowego przez atomy składnika stopowego powodujewzrost naprężeń niezbędnych dla uruchomienia poślizgu dyslokacji i utrudnieniapokonania przez dyslokację przeszkód w czasie poślizgu poprzecznego. W sumiepowoduje to wzrost właściwości wytrzymałościowych a przykładem tego jest wzrostgranicy plastyczności stopów miedzi będących roztworami (rys. l).Występowanie zmiennej rozpuszczalności w stanie stałym w roztworze, dajeteoretyczne podstawy zastosowania metody umocnienia wydzieleniowego, której realizacjapolega na obróbce cieplnej złożonej z dwóch zabiegów: przesycania i starzenia. Wpierwszym zabiegu stop wygrzany zostaje w temperaturze t1-nieco powyżej krzywejzmiennej rozpuszczalności w celu rozpuszczenia jednej z faz równowagowychwystępujących w temperaturach poniżej krzywej zmiennej rozpuszczalności (rys. 2).2Rys 1. Wpływ pierwiastków stopowych na granicę plastyczności miedzi. (3)Rys. 2. Schemat przedstawiający temperatury, z której przesyca się stop o składzie I.Stop przetrzymuje się przez pewien okres czasu w tej temperaturze, aby nastąpiło pełnerozpuszczenie fazy β i ujednorodnienie składu chemicznego a następnie szybko schładza wcelu zatrzymania składnika B w roztworze.Stop przesycony znajduje się w stanie metastabilnym. Zyskuje nieco na wzrościewłaściwości wytrzymałościowych w stosunku do stopu będącego w stanie wyżarzonym,jednocześnie posiada dość dobre właściwości plastyczne, co z punktu technologicznego maduże znaczenie, gdyż można go obrabiać plastycznie (kształtować w elementy użytkowe).Po pewnym czasie stop w sposób naturalny (samoistny) lub podgrzewany (sztuczny)powraca do stanu równowagi.Istniejący w roztworze stałym przesyconym nadmiar energii swobodnej jest siłąnapędową procesów stwarzających tendencję do zbliżania się do stanu równowagowego.W początkowym stadium starzenia wytworzą się stany przedwydzieleniowe polegające nagromadzeniu się atomów przesycających w pewnych obszarach roztwory stałego.3Powodują one silne odkształcenie sieci a więc utrudniają ruch dyslokacji i w ten sposóbwywołują wzrost wskaźników wytrzymałościowych. Starzenie przeprowadza się w takisposób aby uzyskać stany przedwydzieleniowe, gdyż wtedy stop osiąga najwyższe wartościRm, Re (R02) i H.Nadmierne wydłużenie czasu starzenia sztucznego (stop jest wygrzewany wtemperaturach poniżej krzywej zmiennej rozpuszczalności) powoduje niekorzystny efektprzestarzenia przejawiający się utworzeniem w mikrostrukturze stopu faz równowagowych(na schemacie-rys. 2, fazy β, i w konsekwencji spadek wskaźników wytrzymałościowych).Takie obróbki stosuje się do niektórych stopów aluminium (np. durali), stopówmiedzi (np. brązów berylowych).Kształtowanie mikrostruktury a więc i właściwości stopów odlewniczych niekiedyprzeprowadza się już w procesie krystalizacji pierwotnej stopu. Przez dodawanie do kąpielimetalicznej pewnych, w niewielkich ilościach składników (modyfikatorów) powoduje sięzmiany mikrostruktury. Zaznaczyć jednak należy, że zmiany te nie są spowodowanezmianami składu chemicznego lecz zmianą przebiegu krystalizacji. Takie procesyprzeprowadza się zazwyczaj tuż przed odlaniem stopu i nazywa się je modyfikacją. Celemgłównym modyfikacji jest uzyskanie drobnego i o korzystnych kształtach ziarna. Osiąga sięten cel głównie przez wytworzenie w ciekłym metalu dodatkowych ośrodków krystalizacji(zarodkowanie heterogeniczne) i gromadzeniu się na powierzchni międzyfazowej ciecz-ciało stałe atomów bądź cząsteczek modyfikatora, które wpływają na proces wzrostu,kryształu, stopień przechłodzenia i przesunięcie punktów charakterystycznych w układzie(np. eutektyki.)Dla niektórych stopów miedzi np. brązów aluminiowych możliwe jest zastosowanieobróbki cieplnej polegającej na hartowaniu i odpuszczaniu, podobnie jak ma to miejsce wstali.2. STOPY MIEDZI I ALUMINIUMDo stopów miedzi jak i aluminium stosuje się różne kryteria podziału, z którychnajważniejszymi są:-skład chemiczny, stąd podział na stopy dwu, trzy i wieloskładnikowe,-budowa fazowa tj. jedno, dwu i wielofazowe,-zastosowania do określonych technik wytwarzania tj. obróbki plastycznej (nazimno lub na gorąco) i do odlewania.4Duża część tych stopów poddawana zostaje różnym obróbkom cieplnym w celuprzebudowy mikrostruktury i osiągnięcia określonych właściwości.2. l. WAŻNIEJSZE STOPY MIEDZI.W każdym metalu istnieje pewna grupa pierwiastków trudnousuwalnychpochodzących z rudy bądź procesów metalurgicznych, które zaliczamy do zanieczyszczeń.Przy czym dopuszczalna ich ilość w dużej mierze zależy od zastosowania metalu dookreślonego wyrobu. Np. w odlewach z miedzi czy jej stopów pracujących w niezbyttrudnych warunkach wiele pierwiastków-zanieczyszczeń nie będzie miało wielkiegopraktycznego znaczenia. Jeżeli jednak miedź ma służyć do wyrobu przewodówelektrycznych to każdy znajdujący się w niej inny pierwiastek, nawet w niewielkichilościach powodować będzie obniżenie przewodności elektrycznej (rys. 3).Rys. 3. Wpływ zanieczyszczeń na przewodność elektryczną miedzi wg Addkis'a (5).Do szczególnie niepożądanych zanieczyszczeń miedzi obniżających jej właściwościwytrzymałościowe jak i technologiczne należą :bizmut, ołów i tlen.Bizmut i ołów praktycznie nie rozpuszczają się w miedzi i w procesie krystalizacjikrzepną jako ostatnie lokalizując się na granicach ziarn miedzi w formie małychwydzieleń. Z uwagi na niskie temperatury topnienia (Bi-271,3°C; Pb-327,4°C) wywołująkruchość miedzi "na gorąco”, co uniemożliwia jej obróbkę plastyczną (następuje pękanie).Ujemny wpływ tych zanieczyszczeń ujawnia się już przy bardzo małych stężeniach stąddopuszczalna zawartość w miedzi bizmutu wynosi 0,002% a ołowiu 0,005%.5 [ Pobierz całość w formacie PDF ]