Какие чугуны обладают наиболее высокими механическими свойствами
Чугун является своеобразным композитным материалом, механические и эксплуатационные свойства которого зависят от характеристик металлической основы (прочность, пластичность, твердость и др.), а также формы, размеров, количества и распределения Графитовых включений. При этом решающее значение в ряде случаев Имеет либо графит, либо металлическая основа. Например, модуль упругости чугуна в решающей степени зависит от формы и величины графитовых включений, а твердость в основном определяется свойствами металлическое основы. Такие свойства, как ременное сопротивление разрыву, Ударная вязкость, длительная прочесть, зависят как от свойств металлической основы, так и от формы или размеров и количества графитовых включений. Свойства структурных составляющих металлической основы чугуна приведены в табл. 1.
Получение той или иной структуры чугуна в отливках зависит от многих факторов: химического состава чугуна, вида шихтовых материалов, технологии плавки и внепечной обработки металла, скорости кристаллизации и охлаждения расплава в форме, а следовательно, толщины стенки отливки, теплофизических свойств материала формы и др. Структуру металлической основы чугуна можно изменять также термической обработкой отливок, общие закономерности влияния которой аналогичны возникающим при термической обработке углеродистой стали, а особенности связаны с сопутствующими изменениями металлической основы процессами графитизации.
Среди элементов химического состава С и Si определяют формирование структуры чугуна, а при заданной технологии литья приведенный размер стенки отливки Rпр характеризует скорость ее охлаждения (Rпр — отношение площади сечения стенки к периметру). Тогда различная структура чугуна в отливках при литье в песчаную форму получается при.
где К≤4,5 — для перлитно-цементной структуры;
К=4,5⁄6,0 для перлитно-графитной структуры;
К=10⁄14 для перлитно-ферритно-графитной структуры;
К≥14 для ферритно-графитной структуры.
Наряду с Si большое значение как графитизирующий элемент имеет Аl, который иногда частично или полностью заменяет Si. Это улучшает свойства чугуна, особенно пластичность. Наиболее благоприятное сочетание характеристик прочности, вязкости и пластичности достигается и алюминиевых чугунах при содержании в них Si≤1,0%.
По влиянию небольших добавок других элементов на структуру чугуна и, следовательно, свойства добавки можно разбить на три группы.
Первая группа элементов (Ni, Со, Сu) аналогично Si оказывает графитизирующее влияние, способствует размельчению выделений графита. Одновременно эти элементы стимулируют получение более дисперсных перлитных игольчатых и мартенситных структур даже при сравнительно медленном охлаждении.
| Структурные составляющие чугуна | σв, МПа | δ, % | HB∗10-1, МПа |
|---|---|---|---|
| Феррит | 250-400 | 30-50 | 110-140 |
| Перлит | 800-1000 | 15-20 | 200-260 |
| Сорбит | 1200-1400 | 10-15 | 240-300 |
| Тростит | — | — | 280-320 |
| Бейнит | — | — | 300-350 |
| Мартенсит | 1400-1800 | — | 350-550 |
| Аустенит | 400-800 | 40-60 | 140-160 |
| Цементит | 30-50 | — | 750-800 |
| Фосфидная эвтектика | — | — | 300-400 |
| Графит | 17-35 | — | 130-180 |
При легировании фаз металлической основы свойства их повышаются. Например феррит, легированный 2% Si, имеет σв = 600 МПа.
Вторая группа элементов (Сr, Мо, W, V и др.) в противоположность первой препятствует графитизации с интенсивностью, пропорциональной концентрации. При содержании, превышающем предел растворимости; их в цементите или феррите, они образуют специальные карбиды.
К третьей группе элементов можно отнести Ti, Zr, Се, Са, Mg, В и др. Эти элементы характеризуются высокой химической активностью, почти целиком расходуются на образование тугоплавких карбидов, сульфидов, оксидов, нитридов, которые могут служить зародышами в процессе последующей кристаллизации и повышать дисперсность металлической основы. Более того, элементы этой группы Alg, Са, Се и др. редкоземельные металлы (РЗМ) входят в состав лигатур для модифицирования чугуна с целью получения графита веринкулярной или шаровидной формы.
Влияние графитовых включений на различные эксплуатационные свойства чугуна также многообразно и не однозначно.
При нагружении чугуна графитовые включения, являясь «надрезами», снижают его прочность и пластичность. Это происходит, во-первых, вследствие некоторого уменьшения живого сечения металлической основы из-за полостей, занятых графитом, имеющим небольшую прочность на разрыв, и, во-вторых, что наиболее важно, из-за высокой концентрации напряжений, возникающей в местах графитовых включений, особенно при пластинчатой форме графита. Чем длиннее пластинки графита, тем больше коэффициент концентрации напряжений. Все это приводит к резкой локализации пластических деформации в металлической основе, исчерпанию пластичности материала в этих местах, развитию трещин и в итоге — к квазихрупкому разрушению материала при средних напряжениях и показателях пластичности, более низких, чем прочность и пластичность металлической основы чугуна.
Кроме того, из-за разного коэффициента термического расширения графита и металлической основы при охлаждении отливок в чугуне возникают структурные напряжения II рода, которые, постепенно возрастая, достигают предела упругости материала в местах концентрации напряжений (при пластинчатой форме графита). Поэтому дополнительная внешняя нагрузка любой ветчины вызывает необратимые пластические деформации в материале, и чугун с пластинчатым графитом в литом состоянии, по существу, не имеет предела упругости. Однако он может приобрести это свойство в результате «тренировки» различными нагрузками, приводящими к упрочнению металлической основы в местах концентрации напряжений. Этой же цели могут служить различные варианты термомеханической или термоциклической обработки, что особенно важно для высокоточных деталей прецизионных станков и других подобных машин.
Упрочнение металлической основы в местах концентрации напряжений происходит при естественном старении отливок из чугуна с пластинчатым графитом (вылеживании) даже при отсутствии напряжений I рода, из-за протекания релаксационных процессов высоких напряжений II рода. В результате возрастает сопротивляемость образованию пластических деформаций при нагружении небольшими нагрузками. Указанный процесс интенсифицируется при вылеживании отливок на воздухе, когда добавляется термо-циклическое воздействие изменений погодных условий.
Модуль упругости чугуна Е из-за графитовых включений ниже, чем у его металлической основы, так как образуются дополнительные обратимые деформации полостей, занятых графитом, особенно заметные при больших нагрузках. Поэтому значение Е уменьшается с увеличением нагрузки.
Все отмеченные явления становятся менее заметными при увеличении дисперсности пластинчатого графита до 100—200 мкм и особенно при его компактных формах (вермикулярный, шаровидный графит). Поэтому ковкий и высокопрочный чугуны при одинаковой структуре металлической основы имеют более высокую прочность, модуль упругости, пластичность; у них появляется предел упругости.
Наличие графитовых включений делает чугун, особенно с пластинчатым графитом, практически не чувствительным к надрезам, что позволяет конкурировать ему с более прочной сталью по сопротивлению усталости и пределу выносливости. Включения графита обеспечивают высокую износостойкость чугуна в условиях трения скольжения со смазкой и т. д.
Чугун является соединением железа с углеродом. Среди главных свойств можно выделить массу, форму, объем и размещение графитных примесей. В состоянии термодинамического равновесия строение сплавов железа с углеродами можно описать диаграммой. Во время модифицирования состава изменяется:
• температура эвтектики (оС) Т = 1135 + 5*Si — 35*P — 2*Mn + 4*Cr;
• насыщенность эвтектики углеродом (%) С = 4,3 – 0,3*(Si+P) – 0,04*Ni – 0,07*Cr;
• температура эвтектоидного превращения (оС) T = 723 + 20*Si + 8*Cr — 30*Ni — 10*Cu — 20*Mn;
• насыщенность эвтектоида углеродом (%) C = 0,8 – 0,15*Si – 0,8*Ni – 0,05*(Cr+Mn).
Размещение критических точек зависит от степени нагрева – в случае охлаждения они перемещаются немного вниз. Установлены максимально точные простые формулы для подавляющего числа марок чугуна, не содержащего легирующих компонентов:
• насыщенность эвтектики углеродом C = 4,3 – 0,3*(Si+P);
• насыщенность эвтектоида углеродом C = 0,8 – 0,15*Si.
Воздействие соединений на строение можно увидеть в таблице 1. Коэффициенты, определяющие условное графитизирующее воздействие, можно брать во внимание лишь в случае наличия углерода (C) (около 3 %) и кремния (Si) (около 2 %).
Таблица 1. Ориентировочное влияние элементов на структуру чугуна
Элементы | Содержание в % | Влияние | Относительное графитизирующее действие | ||
На основную металлическую массу | На графит | При затвердевании | В твердом состоянии | ||
Кремний | до 3,0 | Уменьшение содержания перлита | Увеличение количества и укрупнение | +1,0 | +1,0 |
Углерод | более 1,7 | Уменьшение содержания перлита | Увеличение количества и укрупнение | +1,0 | от +0,2 до +0,5 |
Марганец | более 0,8 | Размельчение перлита | Слабое размельчение | -0,2 | от -0,2 до +0,5 |
Фосфор | до 1,0 | Образование сернистого марганца | То же, но уменьшение количества | -0,2 | от -0,2 до +0,5 |
Сера | до 0,2 | Образование сульфидов | Уменьшение количества | -2,0 | от -2 до -4 |
Никель | до 1,5 | Размельчение перлита | Увеличение количества и слабое размельчение | +0,4 | от +4 до -0,2 |
Хром | до 1,0 | Размельчение перлита | Уменьшение количества и слабое размельчение | -1,2 | от -1,2 до -3,0 |
Медь | до 1,0 | Не влияет | Не установлено | +0,3 | от +0,3 до -0,2 |
Молибден | до 0,5 | Размельчение перлита. Образование игольчатой структуры | Уменьшение количества. Значительное размельчение | -0,5 | от -0,5 до -1,5 |
Ванадий | до 0,5 | Размельчение перлита | Уменьшение количества. Значительное размельчение | -2,0 | от -2 до -3 |
Алюминий | до 0,5 | Уменьшение содержания перлита | Увеличение количества и укрупнение | +3,0 | +10 |
Церий и магний | — | — | Сфероидинизация | — | — |
Физико-механические свойства
Самые важные показатели физико-механических свойств микроструктуры чугуна можно найти в табл. 2, физических свойств – в табл. 3. Указанный в 3-й табл. удельный вес способен сильно отклоняться в связи с колебаниями объема соединенного углерода и изменениями количества пор. Удельная масса чугуна в момент его плавления равняется 7 ± 0,1 г/см3. При добавлении различных простых примесей она снижается. На указанный в таблице 3 коэффициент теплового расширения влияет строение чугуна.
Сильный невозвратимый прирост объема происходит в случае изменения температуры, при которой в физической системе происходит равновесный фазовый переход. Показатель может достичь 30 %, но зачастую он не превышает 3 % при разогреве до 500 оС. Приросту объема способствуют компоненты, образующие графиты, а мешают – компоненты, образующие карбиды, а также покрытие чугуна методом эмалирования, металлизирования и гальванизации.
Таблица 2. Физические и механические свойства структурных, составляющих нелегированного чугуна
Структурная составляющая | Удельный вес Г/см3 | Коэффициент теплового линейного расширения a*10 — в 1/оС при температурах 20 -100 оС | Теплоемкость в кал/Г*oС при температуре в оС | Теплопроводность в кал/см*сек оС | Электросопротивление в мкОм 9 см | Предел прочности при растяжении σ в в кГ/мм2 | Удлинение σ в % | Твердость НВ | ||||
100 | 200 | 400 | 600 | 900 | ||||||||
Аустенит | — | 17-24 | 0,12 | — | — | — | — | 0,1 | — | — | 50±10 | — |
Феррит | 7,9 | 12-12,5 | 0,11 | 0,12 | 0,13 | 0,13 | 0,17 | 10 | 40±10 | 40±10 | 40±10 | 85±35 |
Перлит | 7,8 | 10-11 | — | — | — | — | — | 0,12 | 20 | 100±30 | — | — |
Цементит | 7,7 | 6-8,5 | 0,15 | 0,15 | 0,15 | 0,16 | 0,19 | 0,017 | 140 | 4±1 | 600±100 | |
Графит | 2,2-2,3 | 7,5-8 | 0,2 | 0,22 | 0,27 | 0,31 | 0,36 | 0,036 | 150 | |||
Тепловые свойства
Показатель теплоемкости чугуна конкретного состава можно установить по закону смешения, используя информацию, приведенную в таблице 2. Она может равняться 0,00018 ккал/(г•оС) при преодолении температурой порога фазового перехода, вплоть до температуры плавления. После преодоления температуры плавления – 0,00023 ± 0,00003 ккал/(г·оС). Тепловой эффект при застывании равняется 0,055 ± 0,005 ккал/г, а в случае эвтектоидного распада аустенита обуславливается объемом включенного перлита, и может достигать 0,0215 ± 0,0015 ккал/г при эвтектоидной концентрации 0,8 % Ссв.
Теплоемкость единицы объема этого вещества может использоваться для укрупненных вычислений: для чугуна в твердом состоянии – приблизительно 0,001 ккал/см3·оС, а в жидком состоянии – 0,0015 ккал/см3·оС.
Теплопроводность нельзя установить по закону смешения; указанные в табл. 2 ее показатели для элементов, при росте их размеров в дисперсных системах, понижаются. Типичные показатели теплопроводности указаны в табл. 3. Роль входящих в чугун компонентов в изменении теплопроводности можно увидеть на отклонениях уровня графитизации. Показатели теплопроводности железа снижаются при повышении объема входящих в него различных добавок.
Чугун в расплавленном состоянии имеет теплопроводность около 0,04 кал/см·с·оС.
С использованием укрупненных вычислений, коэффициент теплопроводности чугуна в твердом состоянии приравнивается к его теплопроводности, а в расплавленном состоянии – к 0,3 мм2/с.
Таблица 3. Типичные физические свойства чугуна
Тип чугуна | Белый | Серый | Ковкий | Примечание, с повышением температуры: «+» — повышается; «-» — понижается |
Удельный вес Г/см3 | 7,5±0,2 | 7,1±0,2 | 7,3±0,1 | — |
Коэффициент теплового линейного расширения a·10-в1/оС, при температурах 20-100 оС | 8±2 | 10±2 | 11±1 | + |
Действительная усадка в % | 1,8±0,2 | 1,1±0,2 | — | + |
Теплопроводность в кал/см·сек оС | 0,08±0,2 | 0,10±0,02 | 0,13±0,02 | — |
Динамическая вязкость при температуре ликвидус дин·сек/см2 | 0,08 | 0,04 | — | — |
Поверхностное натяжение в дин/см2 | 900±100 | 900±100 | — | + |
Электросопротивление в Мк · ом · см | 70±20 | 80±40 | 50±20 | + |
Теплоемкость в кал/Г · оС | 0,13±0,02 | 0,12±0,02 | 0,12±0,02 | + |
Коэрцитивная сила в э | 13±2 | 10±1 | 1,5±0,5 | — |
Остаточный магнетизм в гс | 5000±1000 | 5000±1000 | 5000±1000 | — |
Гидродинамические свойства
Показатели абсолютной вязкости можно найти в табл. 4. Вязкости свойственно снижаться при росте доли марганца, а также в случае понижения части серы и добавок неметаллического происхождения, обусловленного температурными показателями.
Снижение показателей вязкости и соотношение абсолютных температур опыта и момента затвердевания находятся в прямой зависимости. Во время перехода температуры начала затвердевания, показатели вязкости стремительно возрастают.
Данные о поверхностном натяжении чугуна для проведения укрупненных вычислений можно взять из таблицы 3. Оно возрастает со снижением доли углерода и стремительно меняется при добавлении в состав компонентов неметаллического происхождения.
Для определения электрических характеристик можно воспользоваться законом Курнакова. Приблизительные величины примесей можно найти в табл. 2, а, конкретно чугуна – в табл. 3. Воздействие входящих компонентов на электрическое сопротивление твердого вещества условно можно разместить в такой последовательности, по убыванию: кремний (Si), марганец (Mn), хром (Cr), никель (Ni), кобальт (Co).
Таблица 4. Коэффициенты вязкости чугуна
Температура в оС | Коэффициент вязкости в (дин · сек/см2) чугуна с содержанием углерода в % | ||||||
1,0 | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 | 3,5 | 4,0 | |
Чугун застывает белым | |||||||
1250 | — | — | — | — | — | 0,029 | 0,021 |
1300 | — | — | — | — | 0,028 | 0,024 | 0,018 |
1350 | — | — | 0,029 | 0,026 | 0,024 | 0,02 | 0,016 |
1400 | 0,026 | 0,025 | 0,024 | 0,023 | 0,02 | 0,02 | 0,016 |
Чугун застывает серым | |||||||
1280 | — | 0,043 | 0,041 | 0,04 | 0,039 | 0,037 | 0,035 |
1300 | 0,043 | 0,042 | 0,041 | 0,04 | 0,038 | 0,037 | 0,035 |
1350 | 0,04 | 0,04 | 0,039 | 0,038 | 0,037 | 0,036 | 0,035 |
1400 | 0,038 | 0,038 | 0,037 | 0,036 | 0,035 | 0,034 | 0,035 |
Механические свойства
Статистические характеристики. Предел прочности (порог механического напряжения) чугуна можно вычислить качественным путем, исходя из его строения согласно показателям, указанным в таблице 2. Прочность компонентов, входящих в структуру чугуна, растет с повышением их взвешенных размеров в дисперсных системах. На порог механического напряжения наибольшее влияние оказывает строение, численность, объем и расположение графитных составляющих; структура общей массы металла не так важна.
Максимальное уменьшение прочности отмечается при размещении цепочкообразных компонентов графита, делающих структуру металла не такой непрерывной. Максимальные показатели прочности металлу придают сфероидальная структура графита. При увеличении температуры испытательного процесса, порог механического напряжения по большому счету не меняется вплоть до 400 оC (на промежутке от 100 до 200 оC прочность незначительно уменьшается, в пределах 10 – 15 %). После преодоления показателя в 400 оC фиксируется постоянная потеря показателей порога механического напряжения.
Характеристики пластичности обусловлены строением общей массы металла (согласно показателям, приведенным в таблице 2), но еще значительнее – формой графитных примесей. Если форма сфероидальная, то удлинение может доходить до 30 %. В сером чугуне такое удлинение практически никогда не достигает и десятой части процента. Удлинения в обожженном сером чугуне (с ферритным строением) могут составлять приблизительно 1,5 %.
Упругость обуславливается, по большому счету, графитной структурой. Она не меняется в процессе теплового воздействия на чугун, если не вносились изменения в форму графитных примесей. Тесты на изгиб показывают долю упругих деформаций равную 50 – 80 % от всей деформации.
Ползучесть чугуна не стоит путать со случаем роста (необратимого увеличения его объёма). Чугун, в составе которого отсутствуют легирующие компоненты, при нагревании, превышающем 550 оC, характеризуется остаточными деформациями, зависящими от его роста, преобладающими над деформациями, приемлемыми при определении ползучести. Если ее скорость равняется 0,00001 % в час, то за 1 тыс. часов при нагрузке в пределах 3 кг/мм2 серый чугун без легирующих компонентов проявляет устойчивость при температурах в пределах 400 оC, а чугун, содержащий легирующие компоненты – вплоть до 500 оC. Повышения сопротивления ползучести можно добиться у аустенитного чугуна, а также у чугуна с добавкой молибдена или с повышенным наличием никеля и хрома.
Если в чугуне имеются добавки в виде графита, то его модуль упругости будет лишь условным. Этот показатель не обусловлен строением основного объема металла, и характеризуется долей графитных добавок и их строением: он снижается при повышении доли графитных добавок и при уменьшении их схожести с глобулярной структурой.
Ударная вязкость является не совсем точной характеристикой динамических качеств. Она растет с повышением включений феррита, в случае понижения включений графита, а также, когда структура графитной составляющей максимально схожа с шаровидной. При неравномерном периоде нагружений, предел усталости достигает максимума вследствие повышения напряжений, возникающих в направлении приложения нагрузки. Предел усталости повышается при росте порога механического напряжения и повторяемости нагрузок.
Технологические свойства
Жидкотекучесть определяется металлическими свойствами и структурой. Зачастую она зависит от длины заполняемой отливки, и возрастает при понижении вязкостных показателей, повышении перегрева (вместе с тем, больше всего на жидкотекучесть воздействует перегрев сверх температуры начала застывания), понижении промежутка застывания и обуславливается скрытой теплотой плавления и теплоемкости, выраженных объемом.
Химические свойства
Степень противодействия окислению обусловлена строением чугуна и окружающей средой (химический состав, температура и ее протекание). Входящие в состав чугуна элементы имеют электродный потенциал. По уменьшению этой величины их можно расположить в такой последовательности: графит (карбидное железо), двойная или тройная фосфидная эвтектика – оксифер.
Напряжение между графитом и оксифером (ферритом) равняется 0,56 вольтам. Степень противодействия коррозии понижается при соответствующем повышении уровня дисперсности входящих в состав компонентов. Тем не менее, слишком большое понижение уровня дисперсности карбидного железа понижает степень противодействия окислению. Легирующие компоненты воздействуют на способность чугуна противодействовать окислению вместе с их влиянием на структурный состав. Чрезмерное противодействие окислительным процессам отмечается у чугунных отливок со сберегшейся коркой после литья.