| ЧУГУН Общие свойства чугуна Основными составляющими чугуна являются железо и углероды. Свойства чугуна определяются структурой основной металлической массы, формой, количеством и расположением графитных включений. В равновесном состоянии структура железоуглеродистых сплавов определяется диаграммой. При изменении состава меняется: Положение критических точек определено при нагреве; при охлаждении точки располагаются ниже.
С достаточной точностью для нелегированного чугуна большинства марок применимы упрощенные формулы: Влияние элементов на структуру приведено в таблице 1. Коэффициенты, характеризирующие относительное графитизирующие действие, могут быть использованны только при содержаниях углерода (≈ 3%) и кремния (≈2 %). Физические и механические свойства чугуна Главнейшие физические и механические свойства структурных составляющих чугуна приведены в таблице 2, а типичные физические свойства чугуна - таблице 3. Приведенный в таблице 3 удельный вес может значительно изменяться в зависимости от количества связанного углерода и наличия пор. Удельный вес жидкого чугуна при температуре его плавления равен 7,0 ± 0,1 Г/см2; он понижается при увеличении содержания обычных примесей. Приведенный в таблице 3 обратимый коэффициент линейного расширения зависит от структуры чугуна. Необратимое увеличение объема (рост) резко увеличивается при переходе через температуру фазовых превращений и доходит до 30%, но обычно не превосходит 3% при нагреве до 500оС. Увеличению роста благоприятствует графитообразующие элементы, а препятствуют - карбидообразующие элементы и нанесение на поверхность чугуна покрытый (гальванических, методом металлизации, эмалирования). Тепловые свойства Теплоемкость чугуна заданной структуры можно определить по правилу смешения, пользуясь данными таблице 2. Теплоемкость чугуна при температурах, превышающих фазовые превращения и до температуры плавления, может быть принята равной 0,18 кал /Го С, а превышающих температуру плавления - равной 0,23 ± 0,03 кал/Го С. Тепловой эффект при затвердевании равен 55 ± 5 кал/Г, а при перлитном превращении зависит от содержания перлита и доходит до 21,5 ± 1,5 кал/Г при эвтектоидной концентрации 0,8% Ссв: Объемная теплоемкость, равная произведению удельной теплоемкости на удельный вес (кал/см3*оС), может быть принята для укрупненных расчетов: для твердого чугуна около 1 кал/см3*оС, а для жидкого - около 1,5 кал/см3*оС. Теплопроводность не может быть определена по правилу смешения; приведенная в таблице 2 теплопроводность структурных составляющих по мере увеличения степени их дисперсности уменьшается. Типичная величина теплопроводности чугуна приведена в табл. 3. Влияние состава на теплопроводность сказывается главным образом через изменение степени графитизации. Теплопроводность ?-железа уменьшается при увеличении растворенных в нем примесей. Теплопроводность жидкого чугуна равна ≈ кал/см*сек*оС. Температуропроводность может быть принята при укрупненных расчетах для твердого чугуна числено равной его теплопроводности, а для жидкого чугуна равной 0,03 см2/сек. Гидродинамические свойства Динамическая вязкость приведена в таблице 4. Вязкость уменьшается при увеличении содержания марганца, а также при уменьшении содержания серы и неметаллических включений в зависимости от температурных условий, вязкость уменьшается приблизительно пропорционально отношению абсолютной температуры опыта к абсолютной температуре начала затвердевания. При переходе температуры начала затвердевания вязкость резко увеличивается. Поверхностное натяжение для укрупненных расчетов может быть принято по таблице 3. Оно увеличивается с понижением содержания углерода и резко изменяется при наличии неметаллических включений. Электрические свойства. При оценке электропроводности (электросопротивления) может быть использован закон Н.С. Курнакова. Ориентировочные значения электросопротивления структурных составляющих приведены в таблице 2, типового чугуна - в таблице 3. По ослабевающему действию на измельчение электросопротивления твердого раствора элементы могут быть расположены в ряд: кремний, марганец, хром, никель, кобальт. Механические свойства Статистические свойства. Предел прочности при растяжении чугуна может быть качественно оценен по его структуре в соответствии с данными, приведенными в таблице 2. Прочность структурных составляющих увеличивается по мере увеличения степени их дисперсности. Форма, количество, величина и распределение графитных включений оказывают на предел прочности большее влиянии, чем структура основной металлической массы. Наиболее заметное снижение прочности наблюдается при расположении графитных включений в виде цепочки, прерывающей сплошность металлической массы. Наибольшая прочность достигается при сфероидальной форме графита. Она достигается в чугуне без тепловой обработки при прибавлении в определенных магниях и церия. В таблице 5 приведены соотношения прочностных показателей чугуна. С повышением температуры испытания предел прочности остается практически постоянным до 400о С (в интервале 100-200о С имеет место снижения прочности, не превышающее 10-15%). При нагреве выше 400о С наблюдается непрерывное падение предел прочности. Пластические свойства зависят от структуры основной металлической массы (в соответствии с данными таблице 2), но еще в значительно большей степени - от формы графитных включений. При сфероидальной форме последних удлинении может достигать 30%. В обычном сером чугуне оно редко превышает десятые доли процента; в отожженном сером чугуне (ферритная структура) удлинение достигает ~ 1,5% Упругие свойства зависят в основном от формы графита; они не изменяются при тепловой обработке чугуна, если при этом не изменилась форма графитных включений. При испытаниях на изгиб упругие деформации составляют 50-80% от общей деформации. Ползучесть чугуна следует отличать от явлений роста. В нелегированном чугуне при нагреве до температуры свыше 550о С остаточные деформации, связанные с явлением роста, превышают деформации, допустимые при оценке ползучести. При скорости ползучести 1 · 10 - 5 % в час за 1000ч нагрузка около 3 кГ/мм2 выдерживается нелегированным серым чугуном при температуре около 400о С, а легированным чугуном при температуре до 500о С. Увеличение сопротивления ползучести достигается у чугуна с аустенитной структурой и у чугуна с присадкой молибдена или с увеличенным содержанием никеля и хрома. Модуль упругости чугуна из-за наличия графитных включений имеет только относительное значение, поэтому правильнее считать его условной величиной. Модуль упругости чугуна не зависит от структуры основной металлической массы и определяется количеством и формой графитных включений: он падает с увеличением количества графитных включений и с отдалением их формы от глобулярной. Динамические свойства. Ударная вязкость недостаточно верно отражает динамические свойства чугуна. Ударная вязкость увеличивается при увеличении содержания феррита и при уменьшении содержания графита, а также при приближении формы графитных включений к шаровидной. Для ориентировочных расчетов могут быть приняты следующие значения ан надрезанных образцов сечением 1,0 см2: и выраженные в долях от предела прочности, приведены в таблице 5. При асимметричном цикле нагружений предел выносливости проходит через максимум при увеличении сжимающих напряжений. Предел выносливости увеличивается при увеличении предела прочности и частоты нагружений. Технологические свойства Жидкотекучесть зависит от свойств металла и формы: она может быть определена разными методами. Чаще всего, жидкотекучесть, определяемая длиной L заполненной пробы, увеличивается при уменьшении вязкости, увеличении перегрева (при этом большое влияние жидкотекучесть оказывает перегрев выше температуры начала затвердевания), уменьшении интервала затвердевания (наибольшая жидкотекучесть наблюдается при эвтектическом составе) и зависит от скрытой теплоты плавления q и теплоемкости с, отнесенных к единице объема. Химические свойства Сопротивление коррозии зависит от структуры чугуна и от внешней среды (ее состав, температура, а также ее движения). По убывающему электродному потенциалу структурные составляющие чугуна могут быть расположены в такой последовательности: графит (наиболее стойкий) - цементит, фосфидная эвтектика - феррит. Разность потенциалов между ферритом и графитом составляет 0,56 в. Сопротивление коррозии уменьшается по мере увеличения степени дисперсности структурных составляющих. Однако чрезмерное уменьшение степени дисперсности графита также снижает сопротивление коррозии. Легирующие элементы влияют на сопротивление чугуна коррозии в соответствии с их влиянием на структуру. Повышенное сопротивление коррозии наблюдается у чугунных отливок с сохранившейся литейной коркой. Скорость коррозии по отношению к разным средам приведена в таблицах 7, 8 и 9. Таблица 1. Ориентировочное влияние элементов на структуру чугуна. | ||||||||||||||||||||||