BADANIA MIKROSKOPOWE METALI I STOPÓW METALI NIEŻELAZNYCH

Instrukcja do ćwiczenia

BADANIA MIKROSKOPOWE METALI I STOPÓW METALI NIEŻELAZNYCH

1. CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze stopami metali nieżelaznych stosowanymi jako materiały konstrukcyjne, ich mikrostrukturą i własnościami jak również stosowaną obróbką cieplną tych stopów i jej wpływem na strukturę i własności.

2. PRZEBIEG ĆWICZENIA

Ćwiczenie polega na dokonaniu obserwacji mikroskopowych zgładów metalograficznych wybranych stopów metali nieżelaznych. W czasie ćwiczeń należy obserwując zgłady metalograficzne dokonać identyfikacji stopów, ich składników strukturalnych i korzystając z wykresów równowagi określić przybliżony skład chemiczny stopów. Po przeanalizowaniu badanych struktur ich obrazy widoczne pod mikroskopem należy przerysować w dwóch różnych powiększeniach a wykonane rysunki dokładnie opisać.

3. OPRACOWANIE WYNIKÓW I SPRAWOZDANIE

Sprawozdanie z ćwiczeń opracowane w formie pisemnej powinno zawierać:

• konspekt podstawowych wiadomości na temat stopów metali nieżelaznych,

• rysunki mikrostruktur wraz z opisem składników strukturalnych, z podanym powiększeniem i odczynnikami użytymi do trawienia mikrostruktury,

• krótki opis procesów na drodze których uzyskuje się materiał o przedstawionej na rysunku mikrostrukturze.

4. LITERATURA

K. Wesołowski; Metaloznawstwo t. III, WNT, Warszawa 1966

K. Przybyłowicz; Metaloznawstwo, WNT, Warszawa 1999

J. Pacyna (pod red.); Metaloznawstwo wybrane zagadnienia, Wyd. AGH, Kraków 2005

M. Blicharski, Wstęp do inżynierii materiałowej, WNT, Warszawa 2001

OPIS ZESTAWU PRÓBEK

Nr	Materiał	Stan materiału	odczynnik
1	Silumin niemodyfikowany EN AC-AlSi11^1 EN AC 44000^1	Lany	5gFeCl3*6H2O 2ml.HCl 98ml.C2H5OH
2	Silumin modyfikowany EN AC-AlSi11^1 EN AC 44000^1	Lany	5gFeCl3*6H2O 2ml.HCl 98ml.C2H5OH
3	Miedź hutnicza tlenowa rafinowana Cu99^2	Lany
4	Mosiądz CuZn10^3 CW501L^4	Po przeróbce plastycznej i wyżarzaniu	5gFeCl3*6H2O 2ml.HCl 98ml.C2H5OH
5	Mosiądz ołowiowy CuZn39Pb2^3 CW612N^5	Lany	5gFeCl3*6H2O 2ml.HCl 98ml.C2H5OH
6	Mosiądz krzemowy CuZn16Si4^3	Lany	5gFeCl3*6H2O 2ml.HCl 98ml.C2H5OH
7	Mosiądz CuZn40^3 CW509L^6	Lany	5gFeCl3*6H2O 2ml.HCl 98ml.C2H5OH
8	Mosiądz aluminiowy CuZn20Al2^3 CW702R^7	Po przeróbce plastycznej	5gFeCl3*6H2O 2ml.HCl 98ml.C2H5OH
9	Mosiądz aluminiowy CuZn40Al2^3	Po przeróbce plastycznej	5gFeCl3*6H2O 2ml.HCl 98ml.C2H5OH
10	Brąz cynowy CuSn8P^3 CW459K^8	lany	5gFeCl3*6H2O 2ml.HCl 98ml.C2H5OH
11	Stop łożyskowy-babbit SnSb11Cu6^3	Lany	5gFeCl3*6H2O 2ml.HCl 98ml.C2H5OH
12	Brąz CuAl10Fe3Mn2^3 CW306G^6	Lany	5gFeCl3*6H2O 2ml.HCl 98ml.C2H5OH

^1÷8 Oznaczenie według:

1. PN-EN 1706:2001

2. PN77/H82120

3. ISO 1190:1982

4. PN-EN12166:2002

5. PN-EN12168:2002

6. PN-EN12167:1998

7. PN-EN1652:1997

8. PN-EN12163:2002

Mikrostruktura siluminu niemodyfikowanego AlSi 11

(iglaste kryształy Si na tle eutektyki α+Si).

Mikrostruktura siluminu modyfikowanego AlSi 11

(iglaste kryształy α na tle eutektyki α+Si).

Mikrostruktura stopu podeutektycznego Cu-O

(roztwór stały α na tle eutektyki α+CuO).

Mikrostruktura stopu łożyskowego - babbitu cynowego SnSb11Cu6

(kryształy Sn₃Sb_2, iglaste kryształyCu₆Sn_5, drobnoziarnista eutektyka bogata w Sn).

Mikrostruktura mosiądzu dwufazowego CuZn40

(faza α i faza β).

Mikrostruktura mosiądzu jednofazowego CuZn10

(faza α).

Mikrostruktura mosiądzu ołowiowego CuZn39Pb2

(roztwór stały α, faza β' i drobne wydzielenia Pb).

Mikrostruktura mosiądzu krzemowego CuZn16Si4

(roztwór stały, faza χ i drobne wydzielenia Pb i Fe).

Mikrostruktura brązu odlewniczego CuAl10Fe3Mn2

(roztwór α, eutektoid α i γ₂ oraz wydzielenia Fe).

Mikrostruktura brązu odlewniczego CuSn8P

(roztwór α, eutektoid α +δ).

MIEDŹ

Miedź ma strukturę krystaliczną regularną ściennie centrowaną typu A1 i nie posiada odmian alotropowych. Temperatura topnienia miedzi wynosi 1083^OC a jej ciężar właściwy 8,9g/cm³. Na powietrzu czysta miedź pokrywa się warstwą zasadowego węglanu miedzi CuCO₃Cu(OH)₂ - zwanego patyną, która chroni ją przed dalszą korozją. Obecność w powietrzu dwutlenku siarki powoduje powstawanie na powierzchni miedzi zasadowego siarczanu miedzi CuSO₃Cu(OH)₂, który już nie chroni jej przed korozją.

Jednym z głównych zanieczyszczeń miedzi jest tlen powodujący tak zwaną „chorobę wodorową”. Tlen do miedzi dostaje się podczas topienia. Ze względu na małą rozpuszczalność tlenu w miedzi występuje on w postaci tlenku miedziawego Cu₂O lub w postaci tlenku miedziowego CuO. Wyżarzanie miedzi zawierającej tlen w środowisku redukcyjnym zawierającym wodór powoduje jej kruchość zwaną "chorobą wodorową". Wodór dyfundując w głąb miedzi reaguje z tlenkami wg. reakcji: Cu₂O + H₂ = 2Cu+H₂O. Powstała w ten sposób para wodna nie mogąc dyfundować w sieci krystalicznej miedzi znajduje się pod wysokim ciśnieniem i podczas przeróbki plastycznej na gorąco powoduje powstawanie mikropęknięć. Inne zanieczyszczenia miedzi to bizmut i ołów.

Stopy miedzi

Techniczne stopy miedzi z innymi pierwiastkami można podzielić na:

• mosiądze

• brązy

• miedzionikle

Mosiądze są to stopy miedzi, w których głównym składnikiem jest cynk. Techniczne znaczenie mają mosiądze o zawartości do 44% cynku, które można podzielić ze względu na zawartości cynku na mosiądze jednofazowe α (do zawartości 32% Zn), przejściowe ( 32% do 39% Zn) lub dwufazowe α + β ( 39 do 44% Zn). Zmiana struktury mosiądzu wynikająca ze zmiany zawartości cynku w stopie powoduje znaczące zmiany własności mechanicznych. Oprócz mosiądzów dwuskładnikowych Cu-Zn zwanych zwykłymi istnieją także mosiądze zwane specjalnymi lub wieloskładnikowymi albo stopowymi. Zawierają one oprócz miedzi i cynku dodatki stopowe innych metali np. mosiądze ołowiowe, aluminiowe, krzemowe, niklowe. Ze względu na zastosowanie rozróżnia się mosiądze odlewnicze i do przeróbki plastycznej.

Brązy są stopami miedzi z innymi metalami, z wyjątkiem cynku i niklu. W zależności od głównego składnika stopowego rozróżnia się brązy cynowe, aluminiowe, berylowe, cynowo-cynkowo-ołowiowe. Porównując brązy do mosiądzu są one materiałem o większej odporności korozyjnej, większej wytrzymałości i odporności na ścieranie oraz lepszych własnościach ślizgowych. Ze względu na bardzo dobre własności odlewnicze brązy stosowano w przeszłości na rzeźby, dzwony, armaty itp.. Ze względu na przeznaczenie brązy dzielimy na brązy odlewnicze i brązy do przeróbki plastycznej. Brązy odlewnicze są przeważnie stopami wieloskładnikowymi a brązy do przeróbki plastycznej stopami dwuskładnikowymi o niższych zawartościach składników stopowych.

ALUMINIUM

Aluminium ma strukturę krystaliczną regularną ściennie centrowaną typu A1 i nie posiada odmian alotropowych. Temperatura topnienia aluminium wynosi 660^oC a jego ciężar właściwy równy 2,70g/cm³ jest trzykrotnie mniejszy od żelaza co kwalifikuje aluminium do grupy metali lekkich. Do własności aluminium decydujących o jego zastosowaniu należy dobre przewodnictwo elektryczne odporność korozyjna oraz mały ciężar właściwy. W skutek dużego powinowactwa aluminium do tlenu, na powietrzu aluminium bardzo szybko pokrywa się cienką, warstwą tlenku Al₂O₃. Warstwa ta jest bardzo zwarta oraz szczelnie i silnie przylega do metalu chroniąc go przed dalszą korozją. Ten proces zwany pasywacją powoduje dużą odporność aluminium na korozję. Duża odporność korozyjna decyduje o zastosowaniu aluminium w przemyśle spożywczym zarówno na naczynia jak i na opakowania oraz folię, a także w budownictwie i konstrukcji maszyn.

Stopy aluminium

Niskie własności wytrzymałościowe czystego aluminium ograniczają jego zastosowanie w postaci czystej jako materiału konstrukcyjnego. Wprowadzając do czystego aluminium dodatki stopowe uzyskuje się jednak cenne stopy o znacznie większych własnościach wytrzymałościowych. Do najczęściej stosowanych dodatków należą: miedź, krzem, magnez, mangan i cynk. Stopy te można podzielić ze względu na technologię ich dalszego przerabiania na stopy odlewnicze i stopy do przeróbki plastycznej.

Stopy odlewnicze

Największe znaczenie i najbardziej rozpowszechnione spośród stopów odlewniczych aluminium są siluminy będące stopami aluminium zawierającymi 11-14% krzemu. Siluminy cechują się bardzo dobrymi własnościami odlewniczymi. Bardzo dobra lejność oraz mały skurcz i mała skłonność do pękania sprawia, że można z nich uzyskiwać drogą odlewania elementy o skomplikowanych kształtach i cienkich ściankach. Stopy te poddaje się procesowi modyfikacji polegającej na oddziaływaniu na proces krystalizacji odpowiednimi dodatkami wprowadzanymi do ciekłego stopu. Siluminy mają gruboziarnistą strukturę eutektyki α+Si na tle której w przypadku stopów nadeutektycznych dodatkowo występują iglaste kryształy krzemu. Jest to powodem obniżonych własności wytrzymałościowych tych stopów gdyż grube kryształy eutektyki oraz wydzielenia krzemu mogą być zarodkami mikropęknięć. Drobnoziarnistą strukturę odlewów uzyskuje się drogą modyfikacji, poprzez wprowadzenie do ciekłego stopu dodatków zwanych modyfikatorami. Ten proces powoduje w efekcie przeszło dwukrotny wzrost wytrzymałości stopu a także bardzo istotny wzrost wydłużenia. Stopy eutektyczne lub nadeutektyczne po modyfikacji będą się zachowywały jak stopy podeutektyczne to znaczy krzepnąc uzyskają strukturę w której na tle drobnoziarnistej eutektyki α+Si występować będą kryształy roztworu α a nie kryształy krzemu.

Stopy do przeróbki plastycznej

Stopy do przeróbki plastycznej są to przeważnie stopy wieloskładnikowe zawierające najczęściej magnez i mangan lub magnez, mangan i miedź. Cenną cechą tych stopów jest możliwość ich obróbki cieplnej w procesie utwardzania wydzieleniowego. Obróbka ta prowadzi do prawie dwukrotnego wzrostu wytrzymałości tych stopów w stanie po utwardzeniu względem stanu wyżarzonego. Istnieje bardzo wiele stopów aluminium do przeróbki plastycznej spośród których na uwagę zasługują: aldrey (0,5% manganu, około 0,5% krzemu), aluman (1,0-1,5% manganu), hydronalium (2-5% magnezu i 0,1-0,4% manganu), anticorodal (1% magnezu i manganu oraz 1% krzemu), duraluminum ( 4% miedzi, około 1% magnezu i 1% manganu a także żelazo i krzem w zawartości do 0,7%), avial (stop podobny do duralu w którym część miedzi jest zastąpiona dodatkiem około 1% krzemu).

Miedż i stopy miedzi PN-EN 1412 styczeń 1998

Budowa numerów

Numer powinien składać się z sześciu znaków. Położenia znaków są następujące:

1	2	3	4	5	6

1

Zgodnie z ISO/TR 7003, znakiem pierwszej pozycji powinna być litera C oznaczająca materiał miedziowy.

2

Znakiem drugiej pozycji powinna być jedna z następujących liter, które oznaczają:

B materiał w postaci gąsek do przetopienia na odlewy

C materiał w postaci odlewów

F spoiwa do lutowania twardego i spawania

M stopy wstępne

R miedź rafinowana nie przerobiona wstępnie

S materiały w postaci złomu

W materiały w postaci wyrobów przerobionych plastycznie

X materiały nieznormalizowane

3 4 5

Znakiem trzeciej, czwartej i piątej pozycji powinny być numery w przedziale od 000 do 999 (tabela 1). Nie mają one szczególnego znaczenia przypisanego do żadnego ze znaków

Grupa materiałowa	Pozycja 3, 4 i 5^1 (numer w przedziale)	Pozycja 6 (litera określająca grupę materiałową)
Miedź	Od 000 do 999	A lub B
Stopy miedzi niskostopowe (poniżej 5% dod. stopowego)	Od 000 do 999	C lub D
Różne stopy miedzi (5% lub więcej dod. stopowych)	Od 000 do 999	E lub F
Stopy miedź-aluminium	Od 000 do 999	G
Stopy miedź-nikiel	Od 000 do 999	H
Stopy miedź-nikiel-cynk	Od 000 do 999	J
Stopy miedź-cyna	Od 000 do 999	K
Stopy miedź-cynk, dwuskładnikowe	Od 000 do 999	L lub M
Stopy miedź-cynk-ołów	Od 000 do 999	N lub P
Stopy miedź-cynk, wieloskładnikowe	Od 000 do 999	R lub S
^1Znormalizowane materiały miedziowe mają numery w przedziale od 000 do 799 Nieznormalizowane materiały miedziowe mają numery w przedziale od 800 do 999

6

Znakiem pozycji 6 powinna być litera określająca jedną z grup materiałowych podanych w tabeli1.

Temperatura ^oC

% atomowe

% masowe

Układ Cu-Sn

Układ Cu-Zn

Temperatura ^oC

% masowe

% atomowe

Układ Al-Si

Temperatura ^oC

% atomowe

% masowe

Układ Al-Cu

Temperatura ^oC

% masowe

% atomowe

---