Тугоплавкие металлы

   ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

   ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 

Кафедра «Автопласт» 

   Курсовая  работа по материаловедению

   ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ  ПРИБОРОВ 
 

   Вариант 2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Выполнил: студент гр. 21 - УК                                             Белевская Я.А.

                  Специальность 220501 «Управление качеством» 
 

   Проверил:                                                                         Курдюмова Л.Н. 
 

   Оценка____________________________ 
 
 
 
 
 
 
 

   г. Орел, 2011 г. 
 

Задание:

1. Выбрать цветной сплав для изготовления особо ответственных мембран и сильфонов, обладающих немагнитностью и способных работать в агрессивных средах. Привести марку сплава, химический состав. Подобрать режим ТО, описать процессы, протекающие при этом, указать структуру и получаемые механические свойства деталей.
2. Привести обзор строения, свойств, технологии получения, термической обработки и области применения сверхпроводящих материалов.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение. 

     Материаловедение  – наука сконцентрировавшая в  себе современные знания о технологии производства и особенностях материалов и средствах их физико-химической переработки в целях изготовления деталей и изделий различного назначения.

     Активное  развитие материаловедения как науки началось с момента использования металлов и изобретения способов их обработки. Большой вклад в развитие науки о материалах внесли русские и советские ученые.

     В конце ХХ века развивается производство синтетических материалов – пластмасс. Пластмассы и другие неметаллические материалы используются в конструкциях машин и механизмов. Они повышают сроки службы деталей и узлов машин, снижают массу конструкций, экономят дефицитные цветные металлы и сплавы, снижают стоимость и трудоемкость обработки.

     Но  продолжает развиваться и производство металлов. Направление развития металлов – создание сплавов, отвечающим требованиям  науки и техники. Эти требования - высокая коррозионная стойкость, высокая  прочность и пластичность, минимальный  вес, устойчивость к деформациям, низкая стоимость производства.

     В данной курсовой работе будут рассматриваться  сплавы на основе меди. Медь особенно важна для электротехники. По электропроводности медь занимает второе место среди всех металлов, после серебра. Однако в наши дни во всем мире электрические провода, на которые раньше уходила почти половина выплавляемой меди, все чаще делают из аллюминия. Он хуже проводит ток, но легче и доступнее. Медь же, как и многие другие цветные металлы, становится все дефицитнее. Если в XIX в. медь добывалась из руд, где содержалось 6-9% этого элемента, то сейчас 5%-ные медные руды считаются очень богатыми, а промышленность многих стран перерабатывает руды, в которых всего 0,5% меди. 
 

     Бериллиевые бронзы.

     Бериллиевые бронзы характеризуются чрезвычайно высокими пределами упругости, временным сопротивлением, твердостью и коррозионной стойкостью в сочетании с повышенными сопротивлениями усталости, ползучести и износу. Двойные бериллиевые бронзы содержат в среднем 2,0 - 2,5% Be (БрБ2, БрВ2,5). Согласно диаграмме состояния системы Сu-Be (рис. 10.15. а), они имеют структуру, состоящую из α-твердого раствора бериллия в меди и γ-фазы — электронного соединения CuBe с ОЦК решеткой. Концентрация α-твердого раствора значительно уменьшается с понижением температуры (с 2,75 % Be при 870°С до 0,2 % при 300°С). Это дает возможность подвергать бериллиевые бронзы упрочняющей термической обработке — закалке и искусственному старению. 
  
Изменение механических свойств сплавов меди с бериллием (рис. 10.15, б) показывает, что их временное сопротивление резко увеличивается в интервале 1,5 - 2,0 % Be. При содержании бериллия более 2,0 % временное сопротивление повышается незначительно, а пластичность из-за большого количества, твердой и хрупкой γ-фазы становится очень низкой.

     Наибольшей  пластичностью (δ = 30...40%) бериллиевые  бронзы обладают после закалки с 770 - 780°С. В закаленном состоянии  они хорошо деформируются. Пластическая деформация на 40 % увеличивает временное сопротивление бронзы БрБ2 почти в два раза (с 450 до 850 МПа). Механические свойства бериллиевых бронз достигают очень высоких значений после закалки и старения. Так, БрБ2 после закалки с 780 °С и старения при 300 - 350 °С в течение 2 ч имеет следующие механические свойства: σв = 1250 МПа, σ0,2 = 1000 МПа, δ = 2,5 %, твердость 700 HВ, Е = 133 ГПа. Упрочнение происходит благодаря распаду пересыщенного α-твердого раствора с образованием метастабильной γ'-фазы. близкой по составу к γ-фазе. Пластическая деформация закаленной бронзы и последующее старение позволяют увеличить временное сопротивление до 1400 МПа.

     Бериллиевые бронзы являются теплостойкими материалами, устойчиво работающими при температурах до 310 — 340°С. При 500 °С они имеют приблизительно такое же временное сопротивление, как оловянно-фосфористые и алюминиевые бронзы при комнатной температуре. Бериллиевые бронзы обладают высокой теплопроводностью и электрической проводимостью; при ударах не образуют искр. Они хорошо обрабатываются резанием, свариваются точечной и роликовой сваркой, однако широкий температурный интервал кристаллизации затрудняет их дуговую сварку.

     Бериллиевые бронзы выпускают преимущественно  в виде полос, лент, проволоки и  других деформированных полуфабрикатов. Вместе с тем из них можно получить качественные фасонные отливки. Из бериллиевых бронз изготовляют детали ответственного назначения: упругие элементы точных приборов (плоские пружины, пружинные контакты, мембраны); детали, работающие на износ (кулачки, шестерни, червячные передачи); подшипники, работающие при высоких скоростях, больших давлениях и повышенных температурах.

Основным  недостатком бериллиевых бронз  является их высокая стоимость. Легирование Mg, Ni, Ti, Со позволяет уменьшить содержание бериллия до 1,7 - 1.9% без заметного снижения механических свойств (БрБНТ1,7 и др.).  

Таблица 1.1 Основные компоненты бериллиевых бронз:

* наименование  сплава по стандартам РФ

** Ni + Co = 0,2% min

*** Ni + Co + Fe =0,6% max  

Таблица 1.2. Основные свойства сплавов Cu-Be:

 

     Дисперсионное упрочнение бериллиевых бронз.

     Бериллиевые бронзы относятся к классу так называемых дисперсионно упрочняемых сплавов, характерной особенностью которых является зависимость растворимости легирующих компонентов от температуры. При закалке из однофазной области в твердом растворе фиксируется избыточное количество атомов легирующего компонента по сравнению с равновесным состоянием для данной системы. Образовавшийся пересыщенный твердый раствор термодинамически неустойчив и стремится к распаду, процесс активизируется с повышением температуры. Эффект упрочнения определяется дисперсностью выделений образовавшихся при распаде. В промышленных сплавах системы Cu-Be, как и для большинства систем с эффектом дисперсионного упрочнения, концентрационная область располагается возле границы максимальной растворимости в твердом растворе. Наиболее применяемым сплавом системы Cu-Be является сплав БрБ2 (CuBe2, alloy 25, C 17200 по зарубежным спецификациям) содержащий около 2 % бериллия обладающий в закаленном состоянии хорошей пластичностью и технологичностью и повышенными механическими свойствами в термообработанном состоянии.

     Бериллиевая бронза БрБ2 содержит в своём составе (по массе) 97,5% Cu, 0,5% Ni, 2% Be.

     

     Рисунок 1.2 – Микроструктура БрБ2.

     Система бериллий – медь была хорошо изучена  многими исследователями. На рисунке 1.2 представлена обобщённая диаграмма состояния.

     Граница твердого раствора Be в Си определена во многих работах на основании данных микроскопического, рентгеновского, дилатометрического анализов, измерения твердости и  электрических свойств. Растворимость Be в Сu при эвтектоидной температуре (600°С) составляет 10% (ат.), а при перитектической температуре (866°С) - 16,5% (ат.).

     Растворимость Сu в Be изучена в нескольких работах. Установлено, что со стороны Be в системе  имеет место эвтектоидное превращение, соответствующее β↔α-превращению Be. Его температура находится в пределах 1100—1120°С.

     

     Рис. 1.3 - Диаграмма состояния Be-Cu 

     Максимальная  растворимость Сu в α-Ве равна 9,5% (ат.) при 1090°С и уменьшается с понижением температуры до значений 7,5; 7,0; 6,0 и 4,5% (ат.), соответственно, при 1000, 900, 800 и 700°С. Методом микроскопического анализа ранее были установлены следующие значения растворимости Сu в Be: 7,3; 6,3; 5,2 и 4,6% (ат.), соответственно, при температурах 1100, 1000, 800 и 600°С. Также растворимость Сu в Be изучали, вводя Сu в Be методом ионной имплантации и отжигом сплавов в интервале температур 320—1290°С. Полученные результаты согласуются с представленными ранее.

     Кроме твердых растворов на основе чистых металлов компонентов в системе  существуют следующие фазы: β, γ, δ. Фазе β иногда приписывают формулу Cu2 Be, а фазе γ — формулу СuВе, но чаще эти фазы рассматривают как  упорядоченные твердые растворы Be в Сu с разной степенью упорядоченности. Фаза β имеет неупорядоченную ОЦК структуру, фаза γ обладает ОЦК структурой типа CsCl. Данные о структуре фазы δ неоднозначны. Структура фазы δ определялась как кубическая, так и гексагональная. Согласно некоторым данным в области существования фазы δ имеются два соединения: СuВе3 и СuВе2. Соединение СuВе3 имеет гексагональную структуру типа CuZn3. Соединение СuВе2 обладает кубической решеткой, изотипной MgCu2. Соединения должны быть разделены гетерогенной областью существования двух фаз (CuBe3 + CuBe2), но так как положение соответствующих фазовых границ точно не установлено, на диаграмме состояния эти области показаны штриховыми линиями. То, что соединение СuВе3 имеет гексагональную решетку, вызывает определенные сомнения, так как соединение CuZn3 в системе Сu—Zn обычно рассматривается как фаза δ, существующая только при повышенных температурах и имеющая ОЦК решетку типа CsCl. При температурах, близких к комнатной, составу Cu3Zn в системе Сu—Zn отвечает двухфазная смесь, состоящая из кубической фазы γ и гексагональной плотноупакованной фазы ε.