министерство образования и науки российской федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 
высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Утверждаю
Проректор-директор ИФВТ

                                   А.Н. Яковлев
«      »                         2012 г.

Егоров Ю.П., Ковалевская Ж.Г.

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ И СТРУКТУРА ОЛОВЯННЫХ БРОНЗ

Методические указания к выполнению лабораторно-практической работы по дисциплине
«Конструкционные материалы» для студентов ЭНИН

Издательство
Томского политехнического университета
2012
УДК 669.35(075.8)
ББК  34.33я73
      Е302

Егоров Ю.П., Ковалевская Ж.Г.
Е302	Диаграмма состояния и структура оловянных бронз: методические указания к выполнению лабораторно-практической работы по дисциплине «Конструкционные материалы» для студентов, обучающихся по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника». – Томск, Издательство Томского политехнического университета, 2012. –12 с.

УДК 669.35(075.8)
ББК 34.33я73

Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию
методическим семинаром кафедры «Материаловедение и технология металлов» ИФВТ «2» февраля 2012 г.

Зав. кафедрой МТМ
кандидат технических наук		__________ А.Г. Мельников

Председатель учебно-методической
комиссии					__________ Е.М. Князева

Рецензент
Кандидат технических наук
заведующий кафедрой «Материаловедение и технология металлов»
А.Г. Мельников

© ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, 2012
© Егоров Ю.П., Ковалевская Ж.Г., 2012

ПРАКТИЧЕСКАЯ  И  ЛАБОРАТОРНАЯ  РАБОТА

ДИАГРАММА  СОСТОЯНИЯ  И  СТРУКТУРА
ОЛОВЯННЫХ  БРОНЗ

Цель работы
1.	Изучение диаграммы состояния и фазовых превращений сплавов системы Cu–Sn.
2.	Изучение микроструктуры оловянных бронз.

Оборудование и материалы
1.	Диаграмма состояния Cu–Sn.
2.	Металлографические микроскопы.
3.	Коллекция шлифов оловянных бронз.

Порядок выполнения практической и лабораторной работы

1.	Прочитать внимательно основные сведения по теме работы.
2.	Изучить диаграмму состояния Cu–Sn. Для сплава заданного состава описать все фазовые превращения, происходящие в нем при охлаждении.
3.	Изучить микроструктуру нескольких образцов, относящихся к различным классам оловянных бронз, определить к какому из названных классов относится каждый образец. Зарисовать схему микроструктуры рассмотренных образцов и обозначить на рисунках структурные составляющие.

Основные сведения по теме работы

Классификация и маркировка оловянных бронз

Оловянная или оловянистая бронза – это сплав меди и олова.
Оловянные бронзы относятся к наиболее известным, давно и широко применяемым бронзам. В древности из бронзы изготавливали различные виды оружия, хозяйственные орудия, украшения, статуи, различные религиозные изображения. В начале новой эры оловянная бронза широко применялась для отливки колоколов, а с шестнадцатого века – для отливки пушек.
С развитием машиностроения бронза стала одним из важных металлических материалов для изготовления литых и деформируемых деталей различных машин, станков, приборов. Одно из самых ценных свойств оловянных бронз – чрезвычайно высокая стойкость против коррозии. Во многих исторических музеях мира хранятся извлеченные из земли при раскопках бронзовые предметы, отлитые 5 тысячелетий назад и сохранившие свою форму.
По способу изготовления изделий все бронзы делятся на 2 группы:
1. Литейные, применяются для изготовления изделий литьём в заранее приготовленную форму. Оловянные бронзы обладают наименьшей усадкой среди всех известных в настоящее время сплавов.
2. Деформируемые, для изготовления изделий или заготовок методами горячей или холодной обработки давлением.
По назначению литейные бронзы исторически делятся на следующие группы:
1.	монетную и медальную – 2-5 % Sn;
2.	художественную – 5-7 % Sn;
3.	пушечную – 9-11 % Sn;
4.	колокольную – 20-23 % Sn;
5.	зеркальную – 28-30 % Sn;
6.	машиностроительную – до 10 % Sn + дополнительное легирование Zn, Pb, Ni, P и др.
Литейные и деформируемые оловянные бронзы могут быть простыми, состоящими только из меди и олова, и сложными, многокомпонентными, в состав которых кроме меди и олова, входят и другие компоненты (цинк, никель, свинец, фосфор).
Маркируются бронзы буквами Бр, после которых следуют буквы, обозначающие присутствие в сплаве основных легирующих элементов. Например, О – олово, С – свинец, Ц – цинк, Н – никель, Ж – железо и т. д. Цифры, следующие за буквами, указывают количество соответствующего легирующего элемента в процентах. В марках деформируемых бронз сначала помещают буквы, обозначающие легирующие элементы, а затем числа, указывающие их содержание. Например, БрОЦС 4-4-2 – бронза, содержащая 4 % олова, 4 % цинка, 2 % свинца, остальное – медь. В марках литейных бронз после каждой буквы указывается содержание этого легирующего элемента. Например, БрО5С5Н2 – бронза, содержащая 5 % олова, 5 % свинца, 2 % никеля, остальное – медь.

Диаграмма состояния сплавов системы Cu–Sn

Диаграмма состояния сплавов системы Cu–Sn имеет довольно сложное строение. В современной технике по экономическим, технологическим и конструкционным соображениям применяются бронзовые сплавы с относительно малым содержанием олова (обычно не выше 10-12 % и очень редко выше 20 %). Поэтому ниже приводится часть диаграммы состояния сплавов системы Cu–Sn с содержанием Sn от 0 до 32 %, а также характеристики отдельных равновесных фаз, существующих в сплавах с данной концентрацией олова.

Рис. 1. Диаграмма состояния сплавов системы Cu–Sn
(пунктирная линия указывает состояние после литья в металлическую форму)

В равновесной системе имеются области следующих фаз.
Фаза  – однородный твердый раствор олова в меди; он имеет кубическую гранецентрированную решетку (ГЦК). Фаза  занимает область между левой вертикальной линией, соответствующей чистой меди, и равновесной кривой изменения растворимости олова от температуры.
Фаза  построена на базе химического соединения Сu5Sn. Она имеет кубическую объемно-центрированную решетку (ОЦК) с неупорядоченным распределением атомов. Фаза  более богата оловом, чем -фаза: концентрация олова в фазе  от 22 до 25 %. Фаза  образуется по перитектической реакции при температуре 798 С. Боковые границы области -фазы идут наклонно вниз, сближаясь друг с другом, и при 590 С -фаза подвергается эвтектоидному распаду, в результате которого образуется смесь кристаллов двух соседних с фазой  фаз  и .
Фаза  – это твердый раствор на основе химического соединения электронного типа Cu31Sn8 с 32,6 % Sn. Химическое соединение Cu31Sn8 называется -фазой. Фаза  образуется при кристаллизации из расплавленного состояния в сплавах, содержащих 30,6–58,6 % Sn, а в сплавах с содержанием от 28 до 30,6 % Sn образуется при 755 С по перитектической реакции: Ж + → + Ж. Область -твердого раствора суживается книзу, и при температуре 520 С фаза  подвергается эвтектоидному распаду, образуя смесь кристаллов двух соседних фаз:  и  (Cu31Sn8). На этом в реальных условиях кристаллизации и заканчиваются фазовые превращения в оловянных бронзах.
В условиях медленного охлаждении фаза  (Cu31Sn8) при температуре 350 С подвергается эвтектоидному распаду на смесь кристаллов  и  (Cu3Sn).

Особенности формирования фаз и структуры в оловянных
бронзах при литье

В соответствии с диаграммой состояния бронза с 10 % Sn должна затвердевать в виде однофазного сплава, и при дальнейшем охлаждении из твердого раствора  должна выделяться ε-фаза (Cu3Sn). В практических условиях обычной технологии литья структура формируется по-иному.
Благодаря малой скорости диффузии олова в меди при быстром переходе бронзовых сплавов из жидкого состояния в твердое, атомы олова не успевают занять все узлы в атомной решетке развивающихся центров кристаллизации в соответствии с равновесной диаграммой состояния. В результате этого образующиеся кристаллы -твердого раствора содержат олова значительно меньше того, что полагается по равновесной диаграмме. Кривая изменений пределов растворимости олова в меди для случаев быстро протекающего процесса кристаллизации (например, при литье в металлическую форму) проходит на диаграмме в виде пунктирной вертикальной линии в температурном интервале от 0 до 798 С, исходящей из точки на оси концентраций, соответствующей примерно 8 % Sn. Такое расположение кривой указывает на то, что предел растворимости олова в меди в твердом состоянии в этих условиях остается постоянным ( 8 %).
Наряду с описанной выше особенностью, высокая скорость охлаждения сплава при литье затормаживает эвтектоидный распад фазы  (Cu31Sn8) на смесь -фазы и  (Cu3Sn). Таким образом, в сплавах сохраняется фазовый состав, характерный для температуры 400 С.
Основываясь на диаграмме состояния, рассмотрим процесс кристаллизации и формирования структуры типовых оловянных бронз.
К однофазным сплавам относятся литейные бронзы с содержанием олова до 8 %. Процесс кристаллизации таких бронз протекает в одну стадию Ж → . В этом случае в процессе кристаллизации в сплаве формируется поликристаллическая структура, состоящая из зерен -фазы правильной полиэдрической формы. Травление специально подобранным травителем окрашивает -зерна в разные оттенки бронзового цвета. Структура однофазной бронзы представлена на рис. 2а.

-фаза

-фаза

эвтектоид

-фаза

эвтектоид

эвтектоид

-фаза

эвтектоид

(Cu31Sn8)

а

б

			 в						г

Рис. 2. Микроструктура оловянных литых бронз:
а – художественной; б – пушечной; в – колокольной; г – зеркальной

Оловянные бронзы с содержанием Sn более 8 % являются двухфазными и состоят из зерен -фазы и  (Cu31Sn8), как указано на диаграмме состояния (рис. 1). Однако, в зависимости от содержания олова, они имеют разную структуру.
При кристаллизации сплава с содержанием 26,8 % Sn, после нескольких фазовых превращений, сформировавшаяся при температуре 755 С однофазная структура (-фаза) распадается при температуре 520 С на эвтектоидную смесь зерен  +  (Cu31Sn8). На металлографических снимках эвтектоид наблюдается в виде голубых участков -фазы, в которых имеются темные вкрапления -фазы (рис. 2б, в, г).
В бронзах с содержанием Sn от 8 до 26,8 % первыми из жидкости выделяются зерна -фазы и формируют структурный каркас в виде полиэдрических зерен, если объемное содержание -фазы составляет менее 50 % (рис. 2б), или в виде дендритов, если объемное содержание -фазы превышает 50 % (рис. 2в). Оставшаяся часть жидкости, претерпевая все описываемые диаграммой состояния фазовые превращения, образует эвтектоид. Таким образом, все доэвтектоидные литые бронзы имеют структуру, состоящую из зерен -фазы и эвтектоида (рис. 2б, в).
В бронзах с содержанием Sn от 26,8 до 32,6 % формируется структура, характерная для заэвтектоидных сплавов. При охлаждении на границах зерен высокотемпературной -фазы первыми начинают образовываться зерна  (Cu31Sn8) в виде голубых прослоек. Оставшаяся -фаза при температуре 520 С превращается в эвтектоид, занимающий почти весь объем материала. Следовательно, все заэвтектоидные литые бронзы имеют структуру, состоящую из зерен эвтектоида и прослоек  (Cu31Sn8). Структура заэвтектоидной литой бронзы представлена на рис. 2г.

Механические свойства сплавов системы Cu-Sn

Кристаллы -фазы, находящиеся в равновесном состоянии, самые пластичные по сравнению с кристаллами других фаз. Все фазы, построенные на базе химических соединений: , ,  (особенно  и ), очень твердые и хрупкие. Появление кристаллов этих фаз в структуре технических бронз совместно с кристаллами -фазы в виде мелкокристаллической смеси значительно снижает пластичность и вязкость сплавов, делает их хрупкими.
Механические свойства оловянных бронз в зависимости от содержания олова приведены на рис. 3. Из рисунка следует, что максимальной пластичностью обладают оловянные бронзы с однофазной структурой -твердого раствора олова в меди, а максимальной прочностью – с двухфазной. Оптимальное соотношение прочности и пластичности характерно для сплавов с содержанием Sn около 10 %. Такие сплавы имеют структуру, состоящую в основном из пластичных зерен -фазы и разрозненных включений зерен твердого и прочного эвтектоида  +  (Cu31Sn8). Такую структуру (рис. 2б) и оптимальные свойства (рис. 3) имеет пушечная бронза.
Подобную структуру имеет и большинство машиностроительных бронз. Их эксплуатационные свойства улучшают легированием. Так, например, свинец улучшает антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием, фосфор, наряду с этим, улучшает литейные свойства. Литейные свойства и плотность отливок также повышает легирование цинком.

Рис. 3. Механические свойства литых оловянных бронз 
в зависимости от содержания олова

Задание для выполнения практической работы

1.	Начертить диаграмму состояния сплавов системы Cu–Sn при условии кристаллизации в литейную форму. 
2.	Заполнить диаграмму состояния с учетом формирующихся структурных составляющих.
3.	Провести на диаграмме состояния вертикальную линию, соответствующую сплаву, указанному преподавателем. 
4.	Описать фазовые превращения, происходящие в сплаве при нагреве или охлаждении.
5.	Построить кривую нагрева или охлаждения для заданного сплава.
6.	Описать строение заданного сплава.

Задание для выполнения лабораторной работы

1.	

Рассмотреть микроструктуру шлифов оловянных бронз, используя металлографические микроскопы.
2.	Идентифицировать структурные составляющие и фазы.
3.	Определить по структуре, из каких бронз приготовлены шлифы.
4.	Зарисовать все наблюдаемые в микроскопе бронзы и указать структурные составляющие.
5.	Классифицировать наблюдаемые в микроскоп бронзы по структуре и назначению.

Содержание общего отчета по практической и лабораторной работе

1.	Конспект основных сведений по теме работы.
2.	Рисунок диаграммы сплавов системы Cu–Sn при реальных условиях кристаллизации в литейной форме.
3.	Описание превращений в сплаве, указанном преподавателем.
4.	Кривая нагрева или охлаждения для заданного сплава.
5.	Рисунки микроструктур изученных бронз с указанием структурных составляющих.
6.	Запись классификации изученных бронз.
7.	Общий вывод.

Вопросы для входного контроля

1.	Маркировка бронз.
2.	Химический состав колокольной бронзы.
3.	Химический состав зеркальной бронзы.
4.	Химический состав художественной бронзы.
5.	Химический состав пушечной бронзы.
6.	Описание строения оловянной бронзы любого состава.
7.	Что такое фаза ?
8.	Что такое фаза ?
9.	Из каких фаз состоит эвтектоид в оловянной бронзе?
10.	Как влияет содержание олова на пластичность бронз?
11.	Как влияет содержание олова на прочность бронз?
12.	Зачем в оловянную бронзу добавляют цинк?
13.	Зачем в оловянную бронзу добавляют фосфор?
14.	Зачем в оловянную бронзу добавляют свинец?

ЛИТЕРАТУРА

1.	Арзамасов Б.Н., Макарова В.И., Мухин Г.Г. и др. Материаловедение: учебник для вузов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. – 648 с.
2.	Машенина Р.И. Практическая металлография. – М.: Интермет инжиниринг, 2002. – 233 с.
3.	Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов. – М.: Металлургия, 1970. – 364 с.
4.	Сучков Д.И. Медь и ее сплавы. – М.: Металлургия, 1967. – 247 с.

Учебное издание

ЕГОРОВ Юрий Петрович
КОВАЛЕВСКАЯ Жанна Геннадьевна

Методические указания к выполнению лабораторных работ
по дисциплине «Конструкционное материаловедение»
для студентов, обучающихся по направлению
140400 «Электроэнергетика и электротехника»

Отпечатано в Издательстве ТПУ в полном соответствии 
с качеством предоставленного оригинал-макета

Подписано к печати                    . Формат 60х84/16. Бумага «Снегурочка».
Печать XEROX. Усл.печ.л. 0,68. Уч.-изд.л. 0,63.
Заказ      . Тираж 40 экз. 	
	Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Система менеджмента качества
Издательства Томского политехнического университета сертифицирована
NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту BS EN ISO 9001:2008		
. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30
                                         Тел./факс: 8(3822)56-35-35, www.tpu.ru