Применение чугунов.

Хорошие технологические, механические и служебные свойства чугунов обусловливают их широкое применение в машиностроении в качестве основных литейных материалов. Вместе с тем следует отметить, что по прочности чугуны в целом уступают сталям, и это предопределяет область их применения, - мало - и умеренно нагруженные детали.

На прочность чугунов влияют форма графита и структура металлической основы. При одинаковой форме графита прочность ферритных чугунов ниже, чем у перлитных. При одинаковой структуре матрицы прочность чугунов возрастает с изменением формы графита от пластинчатой к шаровидной.

Серые чугуны отличаются невысокой прочностью, что объясняется отрицательным влиянием пластинчатого графита. Графитовые включения, прочность которых ничтожно мала, являются, в сущности, трещинами в металлической основе чугуна, что резко ослабляет ее. Это обусловливает пониженную несущую способность серых чугунов при растяжении (σ_в=150…350МПа) и низкую эксплуатационную надежность из-за высокой хрупкости ( δ до 0,5%). Кроме того, следует отметить более низкий по сравнению со сталью модуль упругости Е серых чугунов: у серого перлитного чугуна значение Е=135ГПа, а у стали Е=214ГПа.

При изгибающих и сжимающих нагрузках отрицательное влияние пластинчатого графита проявляется значительно слабее. Преобладающее влияние при этих видах нагружения оказывает структура металлической основы чугуна. С увеличением количества перлита в структуре основы несущая способность серых чугунов возрастает в 2-4 раза. Поэтому серые чугуны целесообразно использовать для деталей, работающих в условиях изгибающих или сжимающих нагрузок. Но в реальных условиях эксплуатации исключить воздействие растягивающих нагрузок не представляется возможным. Поэтому критерием несущей способности серых чугунов остается σ_в – предел прочности при статическом растяжении. Этот показатель указывают в марке чугуна (СЧ15,СЧ35); он характеризует несущую способность отливок с толщиной стенки до 15мм. С увеличением толщины стенки от 15 до 150мм несущая способность этих чугунов при растяжении снижается в два раза. Серые ферритные чугуны применяют для малонагруженных, а серые перлитные – для умеренно нагруженных деталей, не испытывающих при эксплуатации значительных ударных нагрузок. Хорошие вибропоглощающие свойства серых чугунов ( в 2-4 раза выше, чем у стали) и износостойкость обусловливают их широкое применение в станкостроении идвигателестроении.

Чугуны с вермикулярным графитом (ЧВГ) по своим литейным свойствам не уступают серым чугунам, а по конструкционной прочности их превосходят. Это объясняется тем, что надрезывающее влияние вермикулярного графита существенно меньше по сравнению с пластинчатым. Поэтому несущая способность, эксплуатационная надежность и долговечность ЧВГ в целом выше, чем у серых чугунов. Эти чугуны отличаются также хорошей теплопроводностью, что обеспечивает их термостойкость – способность противостоять разрушению в условиях циклического теплового воздействия. Чугуны с вермикулярным графитом применяют вместо серого чугуна для изготовления крупных отливок сложной конфигурации, а также для деталей, работающих в условиях циклических силовых и тепловых нагрузок.

Хорошие литейные свойства исходного белого чугуна позволяют получать тонкостенные отливки сложной формы, которые затем подвергают длительному, до трех суток отжигу для получения структуры ковкого чугуна с хлопьевидным графитом. Отсутствие литейных напряжений, полностью снимающихся во время отжига, компактность и изолированность хлопьевидных графитовых включений обеспечивают повышенную прочность ковких чугунов. По своей несущей способности и эксплуатационной надежности эти чугуны в целом превосходят серые чугуны и ЧВГ и приближаются к высокопрочным чугунам. Из ковких перлитных чугунов изготавливают умеренно нагруженные детали, работающие в условиях изнашивания и циклических нагрузок. Ковкие ферритные чугуны применяют для малонагруженных деталей, а также для деталей автомобильного и тракторного электрооборудования, которые должны обладать малой остаточной индукцией.

Чугуны с шаровидным графитом (высокопрочные) не уступают по прочности литым углеродистым сталям, а по литейным свойствам, обрабатываемости резанием и вибропоглощающей способности их превосходят. Высокая прочность этих чугунов во многом определяется шаровидной формой графита, которая значительно меньше ослабляет металлическую основу по сравнению с пластинчатым графитом. В отличие от пластинчатых включений шаровидный графит не является активным концентратором напряжений. Поэтому высокопрочный чугун в ряде случаев применяют вместо литой стали и стального проката, серого и ковкого чугунов. Его применяют для деталей, работающих в условиях циклических нагрузок и изнашивания. Примеры применения некоторых марок чугунов приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Примеры применения некоторых марок чугунов

Для деталей, работающих в сложных условиях, применяют легированные чугуны со специальными свойствами: жаростойкие, износостойкие, коррозионно-стойкие, жаропрочные. Это низколегированные и высоколегированные хромистые чугуны (ЧХ1,ЧХ32), кремнистые (ЧС5,ЧС17), алюминиевые (ЧЮХШ,ЧЮ30) и никелевые (ЧНХТ,ЧН20Д2Ш). Преимущественная область применения этих чугунов – высоконагруженные карбюраторные и дизельные ДВС. Для повышения работоспособности чугунные детали подвергают различным видам термической обработки.

Контрольные вопросы.

1. Назовите основные группы конструкционных материалов, применяемых в машиностроении. Что называют сплавами? Какие факторы влияют на их свойства?

2. Дайте определение прочности и пластичности сплавов. Какая зависимость между этими показателями? Что характеризует показатель ,%, а что - Какой из этих показателей оказывает влияние на массу детали, если учесть, что чем выше прочность сплава, тем меньшим может быть сечение детали?

3. Два сплава имеют равные значения , но различные значения . Какому из них следует отдать предпочтение при изготовлении деталей, работающих в условиях динамических нагрузок, при которых опасность хрупкого разрушения возрастает?

4. Что характеризуют показатели KCU, KCV? В какой зависимости находятся эти показатели с показателем пластичности и показателемпрочности Какой из сплавов будет иметь большие значения KCU: малоуглеродистая сталь или серый чугун? Объясните ваш выбор.

5. Назовите наиболее вероятную причину разрушения детали, работающей в условиях циклических изгибающих нагрузок.Что характеризует показатель прочности Что называют контактной выносливостью и какой показатель ее характеризует?

6. Что называют твердостью? Назовите основные методы замеров твердости, чем они отличаются? Каким методом следует определять твердость неупрочненных сплавов, а каким – упрочненных? Кратко опишите методику измерений твердости в указанных случаях.

7. Дайте схематические изображения наиболее распространенных типов кристаллических решеток. Что называют периодом решетки? Что характеризует координационное числоК? Что называют полиморфизмом? Как меняется кристаллическая структура железа в интервале температур 0 - 1539°С?

8. Назовите основные типы дефектов кристаллического строения металлов. Какой внешний фактор влияет на количество точечных дефектов? Что представляют собойдислокации и когда они образуются? Как влияет плотность дислокаций на прочность сплавов?

9. Что называют фазой и фазовым превращением? Приведите примеры фазовых превращений в металлических сплавах. Объясните влияние температуры на изменение термодинамического потенциала и на характер фазового превращения. Что называют степенью переохлаждения? Какая зависимость между этим параметром и скоростью охлаждения?

10. Как влияет степень переохлаждения на параметры кристаллизации: число центров кристаллизации (Ч.Ц.К.) и скорость роста кристаллов (С.Р.К.)? При каких условиях образуется крупнокристаллическая, а при каких – мелкокристаллическая структура? Что называют модифицированием, и как модифицирование влияет на величину кристаллов (зерен), и на механические свойства?

11. Назовите основные типы фаз и структурных составляющих в металлических сплавах. Что является условием образования механических смесей? Что называют твердыми растворами? Чем отличается твердый раствор внедрения от твердого раствора замещения? Приведите примеры основных типов химических соединений в структуре сталей.

12. Нарисуйте диаграмму состояния Fe-C со всеми обозначениями. Укажите на оси концентраций (%С) область сталей и область чугунов. Как классифицируются эти сплавы в зависимости от содержания в них углерода? Для стали, содержащей 0,5%С, укажите температурные интервалы первичной и вторичной кристаллизации. Что происходит при указанных превращениях в структуре этой стали?

13. По диаграмме Fe-C приведите примеры и дайте характеристику основных типов фаз и структурных составляющих. Какая структура характерна для эвтектоидных сталей при комнатной температуре? Как изменяется структура и механические свойства сталей с увеличением содержания углерода? Какие стали относятся к конструкционным, а какие – к инструментальным?

14. Используя диаграмму Fe-C, укажите какую структуру имеют стали после первичной кристаллизации. Какие превращения происходят при вторичной кристаллизации сталей, и чем она завершается? Укажите на диаграмме температурные интервалы первичной и вторичной кристаллизации чугуна, содержащего 3%. Как изменяется структура чугуна в результате этих процессов?

15. Чем отличается эвтектическое превращение от эвтектоидного? Укажите фазовый состав перлита и ледебурита при комнатной температуре. Используя правило концентраций, определите, как изменяется химический состав фаз при первичной кристаллизации стали 50?

16. Как влияет увеличение содержания углерода на структуру и свойства сталей? У какой из сталей больше прочность, а у какой больше пластичность (сталь 20 и сталь 60)? Какая из этих сталей лучше обрабатывается методом холодной штамповки и почему? Почему сера и фосфор считаются в сталях вредными примесями? Как различают стали по качеству?

17. Как влияет увеличение содержания углерода и кремния на структуру чугунов? Как получают высокопрочный чугун? Какое максимальное сечение имеют отливки из белого чугуна, подвергаемые отжигу на ковкий чугун, и зачем это ограничение? Какой из чугунов прочнее: серый ферритный или серый перлитный, ВЧ80 или ВЧ35 и почему?

Литература.

1. Г.М. Волков, В.М. Зуев. «Материаловедение». Учебник для ВТУзов. М. «Академия». 2008 г.

2. Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин, Н.М. Рыжов, В.И. Силаева. «Материаловедение». Учебник для ВУЗов. М., изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2002г.

3. М.Л. Бернштейн, В.А. Займовский. «Механические свойства металлов». Учебник для ВУЗов М. «Металлургия». 1979г.

4. А.М. Адаскин, В.М. Зуев. «Материаловедение и технология материалов». Учебное пособие. М. «Форум». 2010г.