Paweł Piotrowski	Grupa 103; L07	Laboratorium z Materiałoznawstwa
Stopy miedzi
Rok Akademicki 2008/2009	Data:	Ocena: Popis:

Stopy miedzi

• Cel:

Zapoznanie się ze strukturami miedzi

Miedź jest metalem barwy czerwono - złotej o ciężarze właściwym 8,9G/cm³ i temperaturze topnienia 1083^oC. Miedź ma bardzo dużą przewodność cieplną i elektryczną, jest bardzo ciągliwa. Duży wpływ na własności miedzi wywierają zawarte w niej zanieczyszczenia: tlen, siarka, ołów, antymon, bizmut, arsen i fosfor.

Na poniższym rysunku przedstawiona jest miedź o strukturze ferrytycznej. Tlenek miedzi na zgładach metalograficznych ma zabarwienie popielato - niebieskie. Uwidacznia się to w postaci bliźniaków. Wpływa to niekorzystnie na własności wytrzymałościowe miedzi.

Stopy miedzi dzielą się na dwie zasadnicze grupy:

- mosiądze ( stopy miedzi z cynkiem )

* jednofazowe α

* dwufazowe α+β

* jednofazowe β

- brązy ( stopy miedzi z cyną )

Zawartość cyny w brązach nie przekracza na ogół 20%. W normalnych temperaturach trwałe są tylko dwie fazy: faza α oraz faza δ wchodząca w skład eutektoidu (α+δ), która może wystąpić przy zawartości 5% Sn.

• Brązy

• cynowe

najstarsze tworzywo metaliczne stosowane przez człowieka, ze względu na doskonałe własności odlewnicze używano ich do odlewania wielu wyrobów.

Cyna wpływa na własności brązu, jej zawartość nie przekracza 20%. Powoduje wzrost wytrzymałości i plastyczności. Spadek wytrzymałości następuje dopiero przy zawartości powyżej 25% Sn

• aluminiowe

zawartość aluminium w tych stopach wynosi 5-11%. Strukturę brązów aluminiowych można omówić na podstawie układu równowagi Al.-Cu. Brązy o niższych zawartościach Al. Są jednofazowe o wyższych- dwufazowe.

W wyższych temperaturach odpuszczenia następuje koagulacja wydzieleń, co prowadzi do obniżenia własności wytrzymałościowych i wzrostu plastyczności. Brązy albuminowe cechuje się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi. Aluminium bowiem podwyższa twardość i wytrzymałość miedzi.

• Mosiądze

mosiądze dzielą się na dwufazowe (alfa + beta) i jednofazowe(alfa), skład strukturalny mosiądzu ma bardzo duży wpływ na jego własności ze względu na znaczne różnice własności faz alfa i beta.

Roztwór jednofazowe cechują się dobra plastycznością w temperaturze pokojowej a gorsza w zakresie 300-700C i dlatego mosiądze w takiej strukturze są obrabiane plastycznie na zimno. Twardość i wytrzymałość mosiądzu alfa wzrastają ze zwiększeniem zawartości cynku.

Mosiądze dwufazowe mają dużą wytrzymałość ale mniej plastyczne, dlatego je obrabia się na gorąco. Mosiądze można znacznie umocnić przez zgniot. Mosiądze przerabia się drogą wyciskania wypływowego, walcowania, ciągnienia

Struktura mosiądzów, w stanie lanym w mosiądzach występuje wyraźna struktura dendryczna, widoczna na mikrofotografii. Mosiądze należą do stopów o dobrej odporności na korozją atmosferyczna.

• Przemiany

• perlityczna

przemiana dyfuzyjna, co oznacza, że do jej rozpoczęcia i przebiegu konieczne jest przegrupowanie atomów węgla i żelaza droga dyfuzji. Przemiana rozpoczyna się pojawieniem zarodków cementytu na granicy ziaren austenitu. Dzięki dyfuzji węgla z otaczającego te zarodki austenitu, cząsteczki cementytu stopniowo rozrastają się tworząc płytki, a tym samym austenit o małej zawartości węgla ulega przemianie na ferryt. Ponieważ ferryt prawie nie zawiera węgla, w sąsiednim obszarze austenitu następuje wzrost koncentracji węgla, co prowadzi do powstania nowej płytki cementytu itd. Tak powstaje perlit, przy czym w jednym ziarnie austenitu powstaje kilka obszarów złożonych z równoległych pasemek ferrytu i cementytu.

• martenzytyczna

przemiana bezdyfuzyjna (cecha charakterystyczna wyraźnie odróżniająca ja od pozostałych przemian) - następuje tylko przebudowa sieci przestrzennej żelaza γ na żelazo α bez zmiany koncentracji węgla w roztworze stałym, otrzymana struktura to martenzyt. - przesycony roztwór stały węgla w żelazie α. Obecność nadmiernej ilości atomów węgla powoduje zniekształcenie sieci żelaza α co powoduje dużą twardość

i jednocześnie kruchość martenzytu.

Dzieli się na:

- listwowy

- płytkowy

Cechy przemiany martenzytycznej

- przemiana polega na skoordynowanym

przemieszczaniu atomów przy zachowaniu

niezmiennego sąsiedztwa

- przemiana zachodzi przez wielokrotne ścinanie

według mechanizmu poślizgu lub bliźniakowania

- w wyniku przemiany powstaje martenzyt listwowy lub

płytkowy

- przemiana zachodzi przy ciągłym obniżaniu temperatury

pomiędzy Ms i Mf

- przemiana nie zachodzi do końca po jej zakończeniu pozostaje

pewna ilość austenitu szczątkowego w wyniku rosnących

naprężeń

- miedzy płaszczyznami sieciowymi martenzytu istnieje ścisła

zależność orientacji krystalograficznych

- Naprężenie rozciągające i odkształcenia plastyczne ułatwiają

przemianę

przykłady struktur martenzytu listwowego i płytkowego

• bainityczna

przemiana pośrednia między perlityczna i martenzytyczną. Rozpoczyna się od utworzenia zarodków ferrytu, które powstają na granicach ziaren austenitu na skutek fluktuacji stężenia węgla. Z powstałych płytek ferrytu wydziela się następnie cementyt. Bainit jest więc mieszaniną ferrytu przesyconego węglem i węglików.

• austenityczna
Podczas nagrzewania stali, powyżej temperatury Ac1, rozpoczyna się przemiana perlitu w austenit, nazywana przemianą austenityczną. W stalach podeutektoidalnych po przekroczeniu temperatury Ac3 rozpoczyna się przemiana ferrytu w austenit, a w stalach nadeutektoidalnych po osiągnięciu temperatury Accm- proces rozkładu cementytu.
Przemiana austenityczna rozpoczyna się zarodkowaniem austenitu na granicach międzyfazowych ferryt - cementyt i ma charakter dyfuzyjny. Szybkość zachodzenia przemiany austenitycznej zależy głównie od stopnia przegrzania perlitu (ferrytu) powyżej temperatury Ac1, (Ac3) przy grzaniu izotermicznym lub od szybkości nagrzewania przy grzaniu ciągłym oraz od ogólnej powierzchni granic międzyfazowych ferryt-cementyt, tj. dyspersji perlitu. Przemianę tę można rozważać w trzech następujących po sobie etapach:
• utworzenie austenitu niejednorodnego,
• utworzenie austenitu jednorodnego,
• rozrost ziaren austenitu.
Bezpośrednio po zakończeniu przemiany austenitycznej otrzymany austenit jest niejednorodny i do pełnego wyrównania koncentracji węgla i innych pierwiastków stopowych konieczne jest dalsze wygrzewanie.

• eutektoidalna

Austenit o składzie z punktu S w wyniku chłodzenia, w temperaturze 727^oC zmienia swoją postać i staje się mieszaniną ferrytu i cementytu (i na odwrót).

• izotermiczna

Próbkę nagrzewa się do zakresu austenitu i tak długo przetrzymuje, aby nastąpiło rozpuszczenie się węglików i przejście węgla do roztworu. Następnie próbkę przenosi się bardzo szybko do kąpieli solnej o temperaturze poniżej A1, w której przetrzymywana jest przez określony czas. Po tym czasie próbkę chłodzi się gwałtownie w zimnej wodzie do temperatury pokojowej. Po wypolerowaniu i wytrawieniu zgładu próbki, na podstawie obserwacji przy użyciu mikroskopu świetlnego określa się zmiany zaszłe w strukturze. Próby powtarza się wielokrotnie zmieniając temperaturę kąpieli solnej i czas przetrzymywania w niej próbki.

Wykres izotermicznej przemiany austenitu dla stali eutektoidalnej

Na wykresie, krzywa z lewej strony oznacza początek przemiany. Wskazuje ona czas -zależnie od stopnia przechłodzenia - w ciągu którego przemiana jeszcze się nie zaczęła (tzw. okres inkubacji, czyli czas przygotowywania się do przemiany). Ten okres inkubacji w danej temperaturze wyraża odcinek między osią rzędnych a krzywą. Druga krzywa, z prawej strony, wskazuje czas potrzebny do całkowitej przemiany austenitu w strukturę perlityczną w danej temperaturze.

• Makrosegregacja podczas krzepnięcia stopów

w procesach technologicznych chem. strukturalna niejednorodność stopu, powstała w czasie krzepnięcia; s. strefowa (makrosegregacja) charakteryzuje się składem chem. zróżnicowanym w całej objętości mieszanki stopowej, do czego dochodzi na skutek odmiennych gęstości i temp. krzepnięcia składników użytych do produkcji stopu, a także różnic temp. przy ściankach formy i w jej środku (by temu przeciwdziałać krzepnący stop poddaje się gwałtownemu oziębieniu)

• Rekrystalizacja

proces zachodzący w metalach podczas wyżarzania rekrystalizującego, którego efektem jest odbudowa struktury krystalicznej metalu po zgniocie i przywrócenie mu pierwotnych właściwości fizycznych i mechanicznych.

• Umocnienie przez odkształcenie (dyslokacyjne)

Umocnienie to realizowane jest poprzez odkształcenie plastyczne metali (zgniot). Podczas odkształcania materiału, wzrasta gęstość dyslokacji.

Dyslokacje zaczynają się wzajemnie przecinać i hamować ruch poślizgowy, a to prowadzi do ich spiętrzania i gromadzenia się. Rezultatem takiego zjawiska jest silne umocnienie.

Umocnienie to jest skuteczne jeżeli po odkształceniu, w czasie eksploatacji temperatura materiału nie przekroczy 0,3Tt. W temperaturach wyższych następuje zdrowienie które obniża wytrzymałość. Zjawisko to jest niekorzystne podczas walcowania cienkich blach gdyż prowadzi do szybkiej utraty plastyczności przez blachę, oraz do wzrostu energii potrzebnej do walcownia.

• Homogenizacja

polega na wytwarzaniu jednolitej, trwałej mieszaniny z dwóch lub więcej składników, nie mieszających się ze sobą w warunkach normalnych. Homogenizację przeprowadza się m.in. metodą ciśnieniową, sposobem udarowym, działaniem ultradźwięków, poprzez intensywne, szybkie mieszanie oraz przez zastosowanie środków chemicznych (dyspergatorów lub emulgatorów).

• Nierównowagowe krzepnięcie

• Prędkość przemieszczania się granicy międzyfazowej ciecz/ciało stałe

• Współczynnik rozdziału dla nierównowagowego krzepnięcia

• Segregacja dendrytyczna

Jeżeli szybkość chłodzenia jest duża to poszczególne obszary dendrytów będą miały różny skład chemiczny. Segregacji dendrytycznej sprzyja duża różnica temperatury miedzy liniami likwidus i solidus oraz mała szybkość dyfuzji składników.

• Struktura wlewka ze stali uspokojonej

1-górna powierzchnia wlewka (głowa),

2 jama skurczowa,

3 ,4- Rzadzizna osiowa i porowatość,

5 -strefa kryształów różnokierunkowych,

6 -strefa kryształów zamrożonych,

7,8,9 -strefa kryształów słupkowych

10-struktura drobnodendrytyczna

---