Материаловедение. Медь и ее сплавы

(ρ = 8,89 г/см3) с ГЦК решеткой (а = 0,36074 нм). Не имеет полиморфных превращений. Обладает высокой электрической проводимостью (на втором месте после серебра), пластичностью, коррозионной стойкостью в пресной и морской воде, а также в ряде химических сред.

Медь обладает отличной обрабатываемостью давлением в холодном и горячем состоянии, хорошими литейными свойствами и удовлетворительной обрабатываемостью резанием.
На воздухе при наличии влаги и углекислого газа медь медленно окисляется, покрываясь пленкой так называемой «патины» зеленого цвета, которая является щелочным карбонатом меди (CuOH)2CO3. Эта пленка защищает медь от дальнейшей коррозии.
Медь и ее сплавы являются традиционными материалами, используемыми в технике низких температур. Применение меди и ее сплавов обусловлено их высокими характеристиками механических свойств при низких температурах, хорошей коррозийной стойкостью и высокой теплопроводностью.

сильно уменьшают электропроводность примеси P, As, Al, Sn. Вредными примесями, снижающими механические и технологические свойства меди и ее сплавов, являются Bi, Pb, S и O. Свинец и висмут ничтожно растворимы в меди и образуют по границам зерен легкоплавкие эвтектики, что приводит к красноломкости. Сера и кислород также нерастворимы в меди и образуют эвтектики Cu - Cu2S и Cu - Cu2O, но красноломкость они не вызывают, так как их температура плавления (1067 °С и 1065 °С соответственно) выше температур горячей обработки давлением. Однако эти эвтектики весьма хрупкие, и их наличие даже в небольших количествах приводит к снижению пластичности.
Особо вредной примесью является кислород, если медь нагревают в атмосфере, содержащей водород. Атомы водорода быстро диффундируют вглубь металла и восстанавливают оксид меди Cu2O + H2 = 2Cu + H2O. Пары воды создают высокое давление, что приводит к вздутиям, разрывам и трещинам. Это явление называется «водородной болезнью» меди.
Содержание вредных примесей в меди строго ограничено.

высоким обжатием (~ 60…70 %), что приводит к упрочнению до уровня σв= 450 МПа, но при этом сильно снижается пластичность (δ ≤ 5 %).
Процесс скольжения при пластической деформации в кристаллах меди развивается по плоскостям {111} в направлении <110>. После холодной прокатки медь имеет простую основную текстуру {110} <112>. После волочения вдоль проволоки преимущественным направлением будет <111>, а также, но в меньшей степени, направление <100>.
При нагреве деформированной меди в области температур 130…150 °С происходит явление полигонизации, сопровождающееся повышением электропроводности за счет аннигиляции вакансий; при более повышенной температуре наблюдается начало рекристаллизации. Температура этого процесса тем ниже, чем выше была степень предшествующей пластической деформации. В реальных условиях обработки меди рекристаллизационный отжиг проводят при 300…350 °С. После рекристаллизации в меди формируется кубическая текстура типа {100} <001>, степень совершенства которой тем выше, чем больше была величина обжатия при предшествующей холодной пластической деформации.

Zn, Al, Sn, Fe, Si, Mn, Be, Ni. Они повышают прочностные свойства меди.
Медные сплавы делятся на латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы.
Латунями называют сплавы меди, в которых главным легирующим элементом является Zn. Их маркируют буквой Л и числами, характеризующими среднее содержание легирующих элементов. Например, латунь Л80 содержит 80 % Cu и 20 % Zn. Если латунь легирована, помимо цинка, другими элементами, то после буквы Л ставят условное обозначение этих элементов: С – Pb; О – Sn; Ж – Fe; А – Al; К – Si, Мц – Mn, Н – Ni. Числа после букв указывают среднее содержание каждого легирующего элемента в латуни, кроме цинка. Содержание цинка определяется по разности до 100%. Например, латунь ЛАЖМц66-6-3-2 – 66 % Cu, 6 % Al, 3 % Fe, 2 % Mn и 23 % Zn.
Бронзами называют все сплавы меди, кроме латуней и медно-никелевых сплавов. По основным легирующим элементам их подразделяют на оловянные, алюминиевые, бериллиевые, свинцовые, кремнистые и т. д.
Бронзы маркируют буквами Бр, затем указывают основные легирующие элементы и их содержание в сплаве так же, как для латуней. Zn в бронзах маркируют буквой Ц, фосфор – Ф, бериллий – Б, хром – X.
Например, бронза БрАЖМц10-3-1,5 – 10 % Al; 3% Fe; 1,5% Mn, остальное Cu.

системе Cu – Zn имеется пять перитектических превращений, в результате которых образуются пять фаз β, γ, δ, ε и η. Растворимость цинка в меди очень велика и с понижением температуры возрастает и составляет 32,5 % при 902 °С и 39 % при 454 °С. С понижением температуры раствори-мость цинка в меди уменьшается (до 36 % при комнатной температуре).
Латуни со структурой α-фазы пластичны, отличаются высокой технологичностью, поддаются горячей и холодной обработке давлением.

С увеличением содержания цинка возрастают прочность и относительное удлинение. δ достигает максимального значения при 30…32 % Zn, а затем когда появляется β-фаза резко уменьшается. σв возрастает до 45…47 % Zn, но как только β-фаза полностью сменяет α-фазу, оно резко снижается.

Латуни

при охлаждении β'-фаза с упорядоченной структурой, наоборот, хрупка. Поэтому пластичность β-латуней с β'-структурой при комнатной температуре очень мала, и при содержании около 50 % Zn и более они не поддаются холодной обработке давлением. По указанным выше причинам в промышленном масштабе применяют лишь α- и (α+β) -латуни.
Микроструктура α-латуней после деформации и отжига полиэдрическая с большим количеством двойников; их в α-латунях больше, чем в меди, из-за более низкой энергии дефектов упаковки. Структура двухфазных латуней представлена светлыми кристаллами α-фазы и темными кристаллами β-фазы. Структура β-латуней после отжига представлена полиэдрами β-фазы.
Холодная деформация приводит к существенному повышению прочности латуней при одновременном очень резком снижении пластичности. Отжиг нагартованного металла при температурах выше 400 °С снимает наклеп.
Для улучшения свойств латуни дополнительно легируют Al, Mn, Fe, Ni, Sn, Pb, Si, которые вводят в небольших количествах (1…2 %).
В промышленности применяют деформируемые и литейные латуни. Латуни разделяют на простые, легированные только Zn, и специальные, которые содержат дополнительно один или несколько элементов. Специальные латуни называют по основному дополнительному элементу: алюминиевые, кремнистые, марганцевые, никелевые, оловянные, свинцовые.

Cu31Sn8. Применяют только сплавы с содержанием до 10…12 % Sn. Сплавы, богатые Sn, очень хрупки. Оловянные бронзы имеют большой интервал температур кристаллизации и поэтому склонны к ликвации.
Различают деформируемые и литейные оловянные бронзы. Деформируемые бронзы содержат 4…6 % Sn, до 0,4 % Р, до 4 % Zn и до 2,5 % Pb. Они предназначаются для пружин и пружинящих деталей. Структура деформированных оловянных бронз α-твердый раствор.
Литейные бронзы, содержащие большое количество цинка, фосфора и свинца, имеют двухфазную структуру α-твердый раствор и твердые, хрупкие включения δ-фазы.

Оловянные бронзы

Бронзы обладают невысокой жидкотекучестью, малой линейной усадкой, высокой коррозионной стойкостью и хорошими антифрикционными свойствами.

легированными Ni, Mn, Fe и др. Бронзы, содержащие до 4…5 % Аl, характеризуются высокой пластичностью. При ускоренном охлаждении сплавов с 6…8 % Аl в структуре наряду с пластичным α-твердым раствором алюминия в меди появляется твердая, хрупкая γ'-фаза (Сu32Аl19). Поэтому двухфазные сплавы обладают более высокой прочностью, но пониженной пластичностью по сравнению с однофазными. Алюминиевые бронзы хорошо обрабатываются давлением, коррозионностойки, имеют высокие механические свойства, хорошие литейные свойства. Многокомпонентные бронзы, содержащие > 9…11 % Аl, упрочняются закалкой и старением. Алюминиевые бронзы прежде всего используются в качестве заменителей оловянных. Из них изготавливают шестерни, втулки, подшипники, пружины, детали электрооборудования.