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.

     Фаза  δ плавится конгруэнтно и образует эвтектику с β-Ве при температуре 1150°С и содержании 17,3% (ат.) Сu. Фаза δ  имеет широкую область гомогенности, располагающуюся в пределах концентраций Be4Cu — Be2Cu, и плавится конгруэнтно при 1219°С. Точка максимума на кривых ликвидуса и солидуса отвечает 22% (ат.) Сu. Предполагается, что фаза на основе Ве3Сu является метастабильной.

     Максимальная  растворимость Сu в β-Ве при эвтектической температуре 1199°С составляет 17,3% (ат.), а в α-Ве при эвтектоидной температуре 1109°С - 9,5% (ат.).

Таблица 1.3 - Литейно-технологические свойства материала БрБ2 .

Таблица 1.4 - Физические свойства материала БрБ2 .

     1. Явление сверхпроводимости

     Особую  группу материалов высокой электрической  проводимости представляют сверхпроводники. При низких температурах (в настоящее  время по крайней мере ниже 18°  К) определенные металлы и сплавы приобретают способность проводить ток без сколько-нибудь заметного сопротивления; такие твердые тела называются сверхпроводниками.

     Это явление известно уже век, его  открыл в 1911 г. Камерлинг-Оннес, который  наблюдал такое состояние в ртути  при температуре жидкого гелия. В таблице 1 приведен список некоторых известных в настоящее время сверхпроводников и температуры перехода их в сверхпроводящее состояние Т_к. Переход обычно происходит очень резко: сопротивление падает от своего нормального значения до нуля в интервале порядка 0,05° К.

     Рисунок 2.1 - Изменение электрического сопротивления в металлах (М) и сверхпроводниках (М_св) в области низких температур.

     С понижением температуры электрическое сопротивление всех металлов монотонно падает (рисунок 2.1). Однако есть металлы и сплавы, у которых электрическое сопротивление при критической температуре резко падает до нуля - материал становится сверхпроводником.

     Сверхпроводимость обнаружена у 30 элементов и около 1000 сплавов. Сверхпроводящие свойства обнаруживают многие сплавы со структурой упорядоченных твердых растворов и промежуточных фаз (о-фаза, фаза Лавеса и др.). При обычных температурах эти вещества не обладают высокой проводимостью.

     Таблица 2.1 – Сверхпроводники и их температуры перехода в сверхпроводящее состояние (ºK).

     2. Свойства сверхпроводников

     Наиболее  общим свойством сверхпроводников является существование критической  температуры сверхпроводимости  Т_к, ниже которой электросопротивление вещества становится исчезающе малым. Согласно последним оценкам, верхний предел электросопротивления вещества в сверхпроводящем состоянии (т.е. при температуре нижеТ_к) составляет 10^-26 Ом·м.

     Некоторые элементы могут претерпевать аллотропические  превращения под действием высоких давлений (порядка десятков тысяч атмосфер). Образующиеся при этом кристаллографические модификации (так называемые фазы высокого давления) при охлаждении переходят в сверхпроводящее состояние, хотя при обычных давлениях эти элементы не являются сверхпроводниками. Например, сверхпроводником является модификация TeII, образующаяся при давлении 56 000 атмосфер, BiII (25 тысяч атмосфер,Т_к = 3,9 К), BiIII (27 тысяч атмосфер, Т_к =7,2 К). Фазы высокого давления GaII и SbII остаются сверхпроводниками и после снятия высокого давления, и при атмосферном давлении критические температуры сверхпроводящего перехода этих фаз равны соответственно 7,2 и 2,6 К. В обычном состоянии Be и Ga не являются сверхпроводниками, однако становятся таковыми при осаждении на подложках в виде тонких пленок. Появление сверхпроводимости при осаждении пленок из паровой фазы наблюдали также у Се, Pr, Nd, Eu, Yb.

     Характерно, что металлы подгрупп IA, IB и IIА, при  комнатной температуре являющиеся хорошими проводниками электричества, не являются сверхпроводниками (за исключением бериллия в тонкопленочном состоянии). Ферро- и антиферромагнитные элементы также не являются сверхпроводниками.

     Сверхпроводящие характеристики многих элементов, особенно Mo, Ir и W, весьма чувствительны к чистоте металла, что дает основания предполагать, что с развитием методов рафинирования металлов сверхпроводящие свойства будут обнаружены у некоторых других элементов.

     Переход из нормального состояния (с ненулевым электросопротивлением) в сверхпроводящее наблюдается не только в чистых элементах, но также в сплавах и интерметаллических соединениях. В настоящее время известно более тысячи сверхпроводников. Б. Маттиас сформулировал правила, связывающие существование сверхпроводимости с валентностью Z.

     1. Сверхпроводимость существует только  при 2 < Z < 8.

     2. У переходных металлов, их сплавов  и соединений при Z = 3, 5 или 7 наблюдаются максимальные температуры перехода в сверхпроводящее состояние (см. рисунок 2).

     3. Для каждого данного значения Z предпочтительны определенные кристаллические решетки (для получения максималь ной T_к) причем Т_к быстро растет с атомным объемом сверхпроводника и падает с увеличением массы атома.

     Рисунок 2.2 - Наличие сверхпроводимости и Т_к переходных и простых металлов.

     Наиболее  перспективными с точки зрения технического применения являются сверхпроводники  с высокой критической температурой. Наиболее высокой Т_к обладают сплавы и соединения переходных металлов ниобия и ванадия. Эти сверхпроводящие материалы делятся на три группы: 1) сплавы (твердые растворы) с объемноцентрированной кубической решеткой - Nb-Ti, Nb - Zr. T_K ~ 10 К и выше; 2) соединения с решеткой каменной соли, например NbN и Nb (С, N), Т_к ~ 18К; 3) соединения ниобия и ванадия с элементами подгрупп алюминия и кремния, имеющие кристаллическую решетку типа β-W и стехиометрическую формулу А₃В, где А -Nb или V, В - элемент подгруппы ШВ или IVB, например V₃Si, Nb₃Sn, Nb₃(Al, Ge), T_K ~ 21 К и выше.

     Критическая температура перехода в сверхпроводящее  состояние и другие сверхпроводящие  характеристики, о которых будет  сказано ниже, соединений А₃В весьма чувствительны к малым отклонениям от стехиометрии, к структурному состоянию образца (наличие дисперсных частиц других фаз), дефектов кристаллического строения, степени дальнего порядка. По-видимому, этим объясняется повышение Т_к соединений Nb₈Al, Nb₃Ga, Nb₈(Al, Ge) на несколько градусов после закалки от высоких температур и последующего отжига. В частности, T_к соединения Nb₃Ge в результате резкой закалки была повышена от 11 до 17К. На тонкопленочных образцах Nb₃Ge, полученных распылением, достигнуты значения Т_к = 22 К и 23 К. Сверхпроводящие материалы на основе твердых растворов имеют определенные преимущества по сравнению с соединениями типа A₃В в связи с их большей пластичностью.

     Вещества  в сверхпроводящем состоянии  обладают специфическими магнитными свойствами. В первую очередь это проявляется в зависимости критической температуры сверхпроводимости от напряженности внешнего магнитного поля. Критическая температура максимальна в отсутствие внешнего магнитного поля и снижается при увеличении его напряженности. При некоторой напряженности внешнего поля Н_км, называемой критической Т_к = 0. Другими словами, в полях, равных или больших Н_км, сверхпроводящее состояние в веществе не возникает ни при каких температурах. Такое поведение сверхпроводников иллюстрируется кривой Н_к (Т) (рисунок 3). Каждая точка этой кривой дает величину критического внешнего поля Н_к при данной температуре Т < Т_к, вызывающего потерю сверхпроводимости. Эта кривая является кривой фазового перехода: сверхпроводящая фаза →нормальная фаза. В отсутствие магнитного поля этот переход является фазовым переходом второго рода. В присутствии внешнего магнитного поля - это переход первого рода.

     Рисунок 2.3 - Зависимость критического поля сверхпроводника от температуры.

     Другим  важным магнитным свойством сверхпроводников является их диамагнетизм. Внутри сверхпроводника, помещенного в магнитное поле, индукция равна нулю. Если же сверхпроводник помещен в магнитное поле при  температуре выше критической, то при охлаждении ниже Т_к магнитное поле «выталкивается» из сверхпроводника и его индукция в этом случае также равна нулю.

     Разрушение  сверхпроводимости внешним магнитным  полем и идеальный диамагнетизм сверхпроводников связаны с тем, что для сохранения сверхпроводящего состояния суммарный импульс (кинетическая энергия) электронов должен быть меньше определенного значения. В силу этого существует определенная предельная (критическая) плотность токаj_c выше которой сверхпроводимость нарушается и появляется конечное электросопротивление. Идеальный диамагнетизм сверхпроводника объясняется тем, что приложенное магнитное поле индуцирует на поверхности сверхпроводника токи, не испытывающие сопротивления. Эти токи циркулируют таким образом, что магнитный поток внутри сверхпроводника уничтожается. Таким образом, внешнее магнитное поле проникает в сверхпроводник только на очень небольшую глубину (так называемая глубина проникновения) порядка 10^-8-10^-9 м. При увеличении внешнего магнитного поля экранирующие токи должны возрастать, для того чтобы сохранить диамагнетизм сверхпроводника. Если внешнее поле достаточно сильно, токи достигнут критического значения и вещество перейдет в нормальное состояние. Экранирующие токи исчезают, и магнитное поле проникает в вещество. Глубина проникновения магнитного поля (при постоянном поле) возрастает с температурой и стремится к бесконечности при Т → T_к, что соответствует переходу в нормальное состояние.

     Сверхпроводники с малой глубиной проникновения (резкое затухание магнитного поля у поверхности) называются мягкими сверхпроводниками, или сверхпроводниками I рода. Имеются также жесткие сверхпроводники, или сверхпроводники II рода. Сверхпроводники II рода характеризуются более высокими значениями критических полей и большей шириной температурной области перехода в сверхпроводящее состояние. Для мягких сверхпроводников (олово, ртуть, цинк, свинец) температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние составляет около 0,05 К, тогда как для жестких сверхпроводников (ниобий, рений, соединения со структурой β-W) температурный интервал сверхпроводящего перехода составляет около 0,5 К.