Бронзы представляют собой семейство сплавов на основе меди, традиционно легированных оловом, но могут относиться к сплавам меди и других элементов. Бронза несколько прочнее латуни, но все же обладает высокой степенью коррозионной стойкости. Как правило, они используются, когда в дополнение к коррозионной стойкости требуются хорошие свойства при растяжении. Например, бериллиевая медь достигает наибольшей прочности (до 1400 МПа) из любого сплава на основе меди.
Исторически сложилось так, что легирование меди другим металлом, например, оловом, для получения бронзы впервые практиковалось примерно через 4000 лет после открытия плавки меди и примерно через 2000 лет после того, как «натуральная бронза» вошла в общее употребление. Древняя цивилизация в бронзовом веке производила бронзу путем выплавки собственной меди и легирования оловом, мышьяком или другими металлами. Бронза или подобные бронзе сплавы и смеси использовались для монет в течение более длительного периода. Бронза по-прежнему широко используется сегодня для пружин, подшипников, втулок, подшипников автомобильных трансмиссий и аналогичных фитингов, и особенно распространена в подшипниках небольших электродвигателей. Латунь и бронза являются распространенными инженерными материалами в современной архитектуре и в основном используются для кровли и облицовки фасадов из-за их внешнего вида.
Ключевые слова: оловянная бронза, сплав, свойства, напряжение, деформация, предел.
В целом, бронзы представляют собой семейство сплавов на основе меди, традиционно легированных оловом, обычно с содержанием олова около 12–12,5 %. Добавление небольших количеств (0,01–0,45) фосфора дополнительно повышает твердость, усталостную стойкость и износостойкость [1]. Добавление этих сплавов приводит к таким применениям, как пружины, крепежные детали, крепления каменной кладки, валы, шестерни и подшипники. Бронза также является предпочтительным металлом для колоколов в виде сплава бронзы с высоким содержанием олова, известного в просторечии как колокольный металл, который составляет около 23 % олова. Сплавы с высоким содержанием оловянной бронзы обычно используются в зубчатых передачах, а также в высокопрочных втулках и подшипниках, где присутствуют высокая прочность и большие нагрузки. Другие области применения этих сплавов-рабочие колеса насосов, поршневые кольца и паровые фитинги. Например, медный литейный сплав UNS C90500 представляет собой литой сплав медь-олово, который также известен как оружейный металл. Первоначально он использовался главным образом для изготовления оружия, но в значительной степени был заменен сталью.
Использование и применение бронзы
Основными областями применения меди являются электрические провода (60 %), кровля и сантехника (20 %), а также промышленное оборудование (15 %). Медь используется в основном как чистый металл, но, когда требуется большая твердость, ее добавляют в такие сплавы, как латунь и бронза (5 % от общего использования). Медь и сплавы на ее основе, включая латуни (Cu-Zn) и бронзы (Cu-Sn), широко используются в различных промышленных и общественных целях [2]. Некоторые из распространенных применений латунных сплавов включают бижутерию, замки, петли, шестерни, подшипники, гильзы от боеприпасов, автомобильные радиаторы, музыкальные инструменты, электронную упаковку и монеты. Бронза или подобные бронзе сплавы и смеси использовались для монет в течение более длительного периода. Латунь и бронза являются распространенными инженерными материалами в современной архитектуре и в основном используются для кровли и облицовки фасадов из-за их внешнего вида.
Свойства оловянной бронзы
Свойства материала являются интенсивными свойствами, что означает, что они не зависят от количества массы и могут изменяться от места к месту в системе в любой момент. Основа материаловедения включает в себя изучение структуры материалов и соотнесение их с их свойствами (механическими, электрическими и т. д.). Как только материаловед узнает об этой корреляции структуры и свойств, он может перейти к изучению относительной производительности материала в данном приложении. Основными факторами, определяющими структуру материала и, следовательно, его свойства, являются составляющие его химические элементы и способ, которым он был переработан в свою окончательную форму.
Механические свойства оловянной бронзы [3]
Материалы часто выбираются для различных применений, поскольку они имеют желательные сочетания механических характеристик. Для конструкционных применений свойства материалов имеют решающее значение, и инженеры должны учитывать их.
В механике материалов прочность материала — это его способность выдерживать приложенную нагрузку без разрушения или пластической деформации. Прочность материалов в основном учитывает взаимосвязь между внешними нагрузками, приложенными к материалу, и результирующей деформацией или изменением размеров материала. Предел прочности на растяжение оловянной бронзы — UNS C90500 — оружейный металл составляет около 310 МПа.
Предел прочности при растяжении является максимальным на кривой «напряжение-деформация». Это соответствует максимальному напряжению, которое может выдержать структура в напряжении. Часто это значение значительно превышает предел текучести (на 50–60 процентов больше, чем выходные значения для некоторых типов металлов). Когда пластичный материал достигает своей предельной прочности, появляется «горловина», где площадь поперечного сечения локально уменьшается. Кривая напряжения-деформации содержит не более высокое напряжение, чем предел прочности. Несмотря на то, что деформации могут продолжать увеличиваться, напряжение обычно уменьшается после достижения максимальной прочности. Это интенсивное свойство, поэтому его значение не зависит от размера испытуемого образца. Однако это зависит от других факторов, таких как подготовка образца, наличие или отсутствие дефектов поверхности, а также температура испытательной среды и материала. Предел прочности при растяжении варьируется от 50 МПа для алюминия до 3000 МПа для очень высокопрочных сталей.
Предел текучести оловянной бронзы — UNS C90500 — оружейный металл составляет около 150 МПа. Предел текучести — это точка на кривой напряжение-деформация, которая указывает предел упругого поведения и начало пластического поведения. Предел текучести — это свойство материала, определяемое как напряжение, при котором материал начинает пластически деформироваться, это точка, в которой начинается нелинейная (упругая + пластическая) деформация. До достижения предела текучести материал будет упруго деформироваться и вернется к своей первоначальной форме, когда приложенное напряжение будет снято. Как только предел текучести будет пройден, некоторая часть деформации будет постоянной и необратимой. Некоторые стали и другие материалы демонстрируют поведение, называемое явлением предела текучести. Предел текучести варьируется от 35 МПа для низкопрочного алюминия до более 1400 МПа для очень высокопрочных сталей.
Модуль упругости Юнга оловянной бронзы — UNS C90500 — оружейный металл составляет около 103 ГПа. Модуль упругости Юнга — это модуль упругости для растягивающих и сжимающих напряжений в режиме линейной упругости одноосной деформации, который обычно оценивается с помощью испытаний на растяжение. До предельного напряжения тело сможет восстановить свои размеры при снятии нагрузки. Приложенные напряжения заставляют атомы в кристалле двигаться из положения равновесия. Все атомы смещены на одинаковую величину и все еще сохраняют свою относительную геометрию. Когда напряжения снимаются, все атомы возвращаются в исходное положение, и никакой постоянной деформации не происходит. Согласно закону Гука, напряжение пропорционально деформации (в упругой области), а наклон равен модулю Юнга. Модуль Юнга равен продольному напряжению, деленному на деформацию.
где
Твердость по Бринеллю оловянной бронзы — UNS C90500 — оружейный металл составляет приблизительно 75 HB.
Испытание на твердость по Роквеллу является одним из наиболее распространенных испытаний на твердость при вдавливании, которое было разработано для испытания на твердость. В отличие от теста Бринелля, тест Роквелла измеряет глубину проникновения индентора под большой нагрузкой по сравнению с проникновением, произведенным предварительно под незначительной нагрузкой. Незначительная нагрузка устанавливает нулевое положение. Основная нагрузка прикладывается, а затем удаляется, сохраняя при этом незначительную нагрузку. Разница между глубиной проникновения до и после приложения основной нагрузки используется для расчета числа твердости по Роквеллу — глубина проникновения и твердость обратно пропорциональны. Главным преимуществом твердости по Роквеллу является его способность напрямую отображать значения твердости. В результате получается безразмерное число, отмеченное как HRA, HRB, HRC и т. Д., где последняя буква — соответствующая шкала Роквелла. Испытание Роквелла проводится с помощью алмазного конуса с углом 120° и основной нагрузкой 150 кг.
Термические свойства материалов относятся к реакции материалов на изменение их температуры и на применение тепла. Поскольку твердое тело поглощает энергию в виде тепла, его температура повышается, а размеры увеличиваются. Но разные материалы по-разному реагируют на применение тепла.
Теплоемкость, тепловое расширение и теплопроводность — это свойства, которые часто имеют решающее значение при практическом использовании твердых тел.
Температура плавления оловянной бронзы — UNS C90500 — оружейный металл составляет около 1000°C. В общем случае плавление — это фазовый переход вещества из твердой фазы в жидкую. Температура плавления вещества — это температура, при которой происходит это фазовое изменение [4]. Температура плавления также определяет состояние, при котором твердое и жидкое вещества могут существовать в равновесии.
Теплопроводность оловянной бронзы — UNS C90500 — оружейный металл составляет 75 Вт/(м*К). Характеристики теплопередачи твердого материала измеряются свойством, называемым теплопроводностью, k (или λ), измеряемой в Вт/м*К. Это мера способности вещества передавать тепло через материал с помощью проводимости. Важно, что закон Фурье применим ко всей материи, независимо от ее состояния (твердое, жидкое или газообразное), поэтому он также определен для жидкостей и газов.
Теплопроводность большинства жидкостей и твердых тел изменяется в зависимости от температуры. Для паров это также зависит от давления. В общем случае:
Большинство материалов очень близки к однородным, поэтому обычно можно написать k=k(T) . Аналогичные определения связаны с теплопроводностью в направлениях y и z ( ky, kz ), но для изотропного материала теплопроводность не зависит от направления переноса, kx=ky=kz=k [5].
Литература:
- Адаскин, А. М. Материаловедение и технология металлических, неметаллических и композиционных материалов: Учебник / А. М. Адаскин, А. Н. Красновский. — М.: Форум, 2018. — 592 c.
- Оськин, В. А. Материаловедение. Технология конструкционных материалов. Кн 1 / В. А. Оськин, В.В Евсиков. — М.: КолосС, 2008. — 447 c.
- Пожидаева, С. П. Материаловедение: Учебник для студентов учреждений высшего профессионального образования / С. П. Пожидаева. — М.: ИЦ Академия, 2013. — 352 c.
- Черепахин, А. А. Материаловедение: Учебник для студентов учреждений высшего профессионального образования / В. Б. Арзамасов, А. А. Черепахин. — М.: ИЦ Академия, 2013. — 176 c.
- Шубина, Н. Б. Материаловедение. / Н. Б. Шубина, О. В. Белянкина. — М.: МГГУ, 2012. — 162 c.
