Определение термодинамических активностей компонентов бронзы БрБ2

Цель данной работы – расчёт термодинамических активностей компонентов бериллиевой бронзы БрБ2. Это является первым шагом на пути к изучению термодинамических свойств этой бронзы, построению диаграмм устойчивости сплава в различных условиях, изучению его физико-механических свойств. В настоящее время сплавы на основе меди, и в частности, бронзы находят широкое применение в различных областях науки и техники. Поэтому изучение свойств подобных сплавов – это интересный вопрос.

В первой части работы – обзоре литературы – будет приведена некоторая информация о меди и её сплавах. Особое внимание будет уделено бронзам, и в частности, бериллиевым бронзам.

Бериллиевая бронза БрБ2 – это трёхкомпонентная система. Для описания свойств её компонентов будут приведены диаграммы состояния бинарных систем, в которых эти компоненты соединены друг с другом попарно, а также краткие их описания.

Также будет рассказано о теории, в рамках которой будет произведён дальнейший расчёты – обобщённой теории «регулярных» растворов.

Вторая часть работы – расчётная. Собственно, в ней и будут приведены схемы расчётов всех необходимых величин и даны конкретные результаты, полученные автором работы.

Все комментарии к полученным результатам будут сделаны в выводах.

1. Литературный обзор

1.1 Медь и сплавы на её основе. Бронзы (1, c. 406-417)

Медь — металл красного, в изломе розового цвета. Температура плавления чистой меди равна 1083°С. Кристаллическая решетка - ГЦК с периодом а = 0,31607 нм. Плотность меди равна 8,94 г/см³. Медь обладает настолько высокими электропроводимостью и теплопроводностью, что их принято принимать за 100%, а для всех других технических металлов, за исключением серебра, эти свойства сравнивать со свойствами меди и выражать в процентах. Удельное электрическое сопротивление меди равно 0,0175. В зависимости от чистоты медь изготовляют следующих марок: М00 (99,99% Cu), М0 (99,97% Cu), Ml (99,9% Cu), М2 (99,7% Cu), МЗ (99,50% Cu). Присутствующие в меди примеси оказывают большое влияние на ее свойства.

По характеру взаимодействия примесей с медью их можно разделить на три группы.

1) Примеси, образующие с медью твердые растворы: Ni, Zn, Sb, Sn, Al, As, Fe, P и др.; эти примеси (особенно Sb и As) резко снижают электропроводимость и теплопроводность меди, поэтому для проводников тока применяют медь М0 и Ml, содержащую <0,002 % Sb и <0,002 % As. Сурьма, кроме того, затрудняет горячую обработку давлением.

2) Примеси Pb, Bi и другие, практически не растворимые в меди, образуют в ней легкоплавкие эвтектики, которые, выделяясь по границам зерен, затрудняют обработку давлением. При содержании 0,005% Bi медь разрушается при горячей обработке давлением; при более высоком содержании висмута медь становится, кроме того, хладноломкой; на электропроводимость эти примеси оказывают небольшое влияние.

3) Примеси кислорода и серы, образующие с медью хрупкие химические соединения Сu₂О и Cu₂S, входящие в состав эвтектики. Кислород, находясь в растворе, уменьшает электропроводимость, а сера не влияет на нее. Сера улучшает обрабатываемость меди резанием, а кислород, если он присутствует в меди, образует закись меди и вызывает «водородную болезнь».

При нагреве меди в атмосфере, содержащей водород, происходит его диффузия вглубь меди. Если в меди присутствуют включения Сu₂О, то они реагируют с водородом, в результате чего образуются пары воды по реакции

Сu₂О + Н₂ → 2Сu + Н₂О,

протекающей с увеличением объема. Это создает в отдельных участках металла высокое давление и вызывает появление микротрещин, которые могут привести к разрушению детали.

Медь хорошо сопротивляется коррозии в обычных атмосферных условиях, в пресной и морской воде и других агрессивных средах, но обладает плохой устойчивостью в сернистых газах и аммиаке.

Механические свойства меди в литом состоянии таковы:

;

в горячедеформированном состоянии:

.

При холодном деформировании предел прочности может быть повышен до 450 МПа (проволока) при снижении относительного удлинения до 3%. Модуль нормальной упругости меди равен 115 000 МПа.

Медь легко обрабатывается давлением, но плохо резанием, и имеет невысокие литейные свойства из-за большой усадки. Медь плохо сваривается, но легко подвергается пайке. Ее применяют в виде листов, прутков, труб и проволоки.

В электротехнической промышленности, электронике и электровакуумной технике применяют бескислородную М0б (0,001% О₂) и раскисленную М1р (0,01% О₂) медь.

Различают две основные группы медных сплавов:

1) Латуни — сплавы меди с цинком;

2) Бронзы — сплавы меди с другими элементами, в числе которых, но только наряду с другими, может быть и цинк. Медные сплавы обладают высокими механическими и техническими свойствами, хорошо сопротивляются износу и коррозии. Принята следующая маркировка медных сплавов. Сплавы обозначают буквами «Л» (латунь) или «Бр» (бронза), после чего следуют буквы основных элементов, образующих сплав. Например, О — олово, Ц — цинк, Мц — марганец, Ж — железо, Ф — фосфор, Б — бериллий, X — хром и т. д. Цифры, следующие за буквами, указывают количество легирующего элемента. ,

Порядок цифр для бронз и латуней различен. В марках деформируемых латуней первые две цифры после буквы «Л» указывают среднее содержание меди в процентах. Например, Л70 — латунь, содержащая 70% Си. В случае легированных деформируемых латуней указывают еще буквы и цифры, обозначающие название и количество легирующего элемента, например ЛАЖ60-1-1 означает латунь с 60% Сu, легированную алюминием (А) в количестве 1% и железом (Ж) в количестве 1%. Содержание цинка определяется по разности от 100% . В деформированных бронзах содержание основного компонента — меди — не указывается, а определяется по разности. Цифры после букв, отделенные друг от друга через тире, указывают среднее содержание легирующих элементов в процентах; цифры расположены в том же порядке, как и буквы, указывающие присутствие в бронзе того или иного элемента, например, бронза БрОЦ4-3 имеет следующий состав: олова (О) — 4%, цинка (Ц) — 3% . Содержание меди определяется по разности от 100%.

В литейных латунях и бронзах среднее содержание компонентов сплава в процентах ставится сразу после буквы, обозначающей его название. Например, латунь ЛЦ40Мц1,5 содержит 40% цинка (Ц) и 1,5% марганца (Мц). Бронза БрА10ЖЗМц2 содержит алюминия (А) 10%, железа (Ж) — 3% и марганца (Мц) — 2% .

Оловянные бронзы. На рис. 1.1 приведена диаграмма состояния Сu—Sn. Фаза α представляет твердый раствор олова в меди с ГЦК-решегкой. В сплавах этой системы образуются электронные соединения: β-фаза (), δ-фаза (), ε-фаза (), а также γ-фаза — твердый раствор на базе химического соединения, природа которого не установлена. Система Сu—Sn имеет ряд перитектических превращений и два превращения эвтектоидного типа. При температуре 588°С кристаллы β-фазы претерпевают эвтектоидный распад с образованием α- и γ-фаз, а при 520°С кристаллы твёрдого раствора γ распадаются на фазы α и δ. При температуре 350°С δ-фаза распадается на α-твердый раствор и ε-фазу. Однако это превращение протекает только при очень медленном охлаждении. В реальных условиях охлаждения бронза состоит из α и δ фаз. В практике применяют только сплавы с содержанием до 10 - 12% Sn. Сплавы, более богатые оловом, очень хрупки. Оловянные бронзы при ускоренном охлаждении имеют резко выраженное дендритное строение.

Рис. 1.1 Диаграмма состояния Cu-Sn

Бронзы, содержащие до 4-5% Sn, после деформации и отжига получают полиэдрическое строение и представляют собой в основном α-твердый раствор. После литья даже такие низколегированные бронзы в результате сильной ликвации могут иметь включения эвтектоида (α+δ).

При большем содержании олова в структуре бронз в равновесном состоянии с α-раствором присутствует эвтектоид (α+δ). Зависимость механических свойств литых бронз от содержания олова показана на рис. 1.2. Предел прочности возрастает с увеличением содержания олова. При высокой концентрации олова вследствие присутствия в структуре значительного количества эвтектоида, содержащего хрупкое соединение , предел прочности резко снижается.

Относительное удлинение несколько возрастает при содержании в бронзе 4-6% Sn, но при образовании эвтектоида сильно уменьшается. Оловянные бронзы обычно легируют Zn, Fe, P, Pb, Ni и другими элементами. Цинк улучшает технологические свойства бронзы и удешевляет её. Фосфор улучшает литейные свойства. Никель повышает механические свойства, коррозионную стойкость и плотность отливок и уменьшает ликвацию. Железо измельчает зерно, но ухудшает технологические свойства бронз и сопротивляемость коррозии. Легирование свинцом снижает механические свойства бронзы, но повышает плотность отливок, а главное — облегчает обработку резанием и улучшает антифрикционные свойства.

Рис. 1.2 Влияние олова на механические свойства бронз

Табл. 1.1 Механические свойства и назначение деформируемых и литейных оловянных бронз