Основы теории сплавов

Рис.1   Характеристика форм (n_1... n₅) графита

     Использование критериев механики разрушения для оценки конструкционной прочности чугунов позволяет:

обоснованно выбирать тип  и марку чугуна применительно  к условиям эксплуатации литой детали, в том числе при решении  вопросов об использовании ЧШГ вместо стали и ЧПГ;

     количественно оценивать влияние размеров и формы детали имеющихся дефектов на долговечность изделий, разрабатывать нормы дефектности чугунных отливок;

     анализировать причины разрушения изделий в процессе эксплуатации и принимать меры по их устранению.

     Одним из основных критериев механики разрушения является критический коэффициент интенсивности напряжений (трещинностойкость) К_1С (МПа м^1/2), который используют при расчетной оценке надежности деталей.

     Минимально допустимые значения коэффициента.

Таблица 4

     Коэффициент К_1с для стандартных марок ЧШГ

Марка чугуна	ВЧ 35	ВЧ40	ВЧ 45	ВЧ 50
К1с МПа*м1/2	70	65	60	50
Марка чугуна	ВЧ 60	ВЧ 70	ВЧ80	ВЧ100
К1с МПа*м1/2	45	25	25	30

 

      Ценность показателя К_1с как характеристики материала состоит в том, что его можно непосредственно использовать для расчета конструкций. Если известен коэффициент К_1с, то можно вычислить допустимый размер трещины при заданном рабочем напряжении или, наоборот, допустимое рабочее напряжение при заданном размере трещин по формуле

где g – коэффициент, учитывающий геометрию литой детали; 
s– рабочее напряжение, МПа, 
l_кр – критическая длина дефекта, м.

     В современных расчетах высоконагруженных конструкций используют “принцип безопасного повреждения”, допускающий эксплуатацию конструкций при наличии трещин длиной меньше l_кр. Этот принцип очень важен, так как при изготовлении изделий трудно полностью избежать поверхностных и внутренних дефектов (царапин, усадочных микропустот и др.) Кроме того, трещины могут возникать и при эксплуатации изделий. Известны немало случаев когда ответственные нагруженные конструкции работали при наличии в них трещин длиной в десятки сантиметров.

     Если на  шлифах серых чугунов графит имеет форму извилистых прожилок, то в ковких чугунах графит, называемый углеродом отжига, находится в форме более компактных хлопьевидных включений с рваными краями, Более компактная форма графита обеспечивает повышение механических свойств ковкого чугуна по сравнению с серым чугуном с пластинчатым графитом. Обладая механическими свойствами, близкими к литой стали и высокопрочному чугуну, высоким сопротивлением ударным нагрузкам, износостойкостью, обрабатываемостью резанием и свариваемостью, ковкий чугун находит свое применение во многих отраслях промышленности. Из него изготавливают поршни, шестерни, шатуны, скобы, иллюминаторные кольца и др.

3.Чугуны с вермикулярным графитом.

     Наряду с шаровидным графитом высокопрочные чугуны могут содержать некоторое количество вермикулярного (от лат. vermiculus – червячок) графита. В пространстве такой графит, как и пластинчатый, имеет форму изогнутых лепестков. От пластинчатого вермикулярный графит отличается округлыми краями, меньшими размерами и меньшим отношением длины лепестка к его толщине (у вермикулярного графита это отношение находится в пределах 2 – 10, а у пластинчатого значительно больше 10). Поэтому вермикулярный графит не является таким концентратором напряжений, как пластинчатый. Его можно рассматривать как переходную форму от пластинчатого к шаровидному графиту.

     При одинаковом содержании углерода и кремния соотношение количеств шаровидного и вермикулярного графита в чугуне зависит от условий его получения, главным образом от обработки расплава лигатурами, содержащими магний и редкоземельные металлы.

     Чугун с вермикулярным графитом, как самостоятельный литейный материал в России, был стандартизован в 1989 г. (в промышленности его используют с 1968 г.)

     В соответствии с ГОСТ 28394–89 чугун с вермикулярным графитом может содержать не более 40 % шаровидного графита, весь остальной графит – вермикулярный. Такой чугун обозначают буквами ЧВГ, за которыми следует число, указывающее гарантируемое значение s_в в кгс/мм². (табл. 4, 5).

 

Таблица 4

 

Химический состав чугуна с вермикулярным графитом  
(ГОСТ 2894-89)

	Массовая доля элементов
Марка чугуна	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ca
ЧВГ30 ЧВГ35 ЧВГ40 ЧВГ45	3,5–3,8 3,5–3,8 3,1–3,5 3,1–3,5	2,2–3,0 2,2–2,8 2,0–2,5 2,0–2,5	0,2–0,6 0,2–0,6 0,4–1,0 0,8–1,2	до 0,08 до 0,08 до 0,08 до 0,05	до 0,025 до 0,025 до 0,025 до 0,025	до 0,015 до0,15 до 0,2 до 0,3	– – 0,4–0,6 0,8–1,0

 

 

 

 

 

 

Таблица 5

 

Механические свойства чугуна с вермикулярным графитом  
(ГОСТ 2894-89)

Марка чугуна	Механические свойства
	d В,МПа  (кгс/мм2)	d 0,2, МПа (кгс/мм2)	Относительное удлинение, d ,%	Твердость по Бринелю НВ	Структура металлической  основы
ЧВГ30 ЧВГ35 ЧВГ40 ЧВГ45	300 (30) 350 (35) 400 (40) 450 (45)	240 (24) 260 (26) 320 (32) 380 (38)	3,0 2,0 1,5 0,8	130–180 140–190 170–220 190–250	Феррит Феррит Перлит Перлит

    Марку чугуна можно изменить, применив термообработку, от которой зависит структура основы (ферритная, перлитная, бейнитная). При одинаковом строении матрицы механические свойства чугуна с вермикулярным графитом являются промежуточными между значениями свойств серого чугуна с пластинчатым графитом и высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Чугуны марок ЧВГ прочнее, а при одинаковой прочности пластичнее чугунов марок СЧ. Они превосходят чугуны марок ВЧ по демпфирующей способности и по обрабатываемости резанием.

     Для ЧВГ характерны высокая жидкотекучесть, обрабатываемость резанием, малая усадка. Чугуны с вермикулярным графитом широко используются в мировом и отечественном автомобилестроении, тракторостроении, судостроении, дизелестроении, энергетическом и металлургическом машиностроении для деталей, работающих при значительных механических нагрузках в условиях износа, гидрокавитации, переменном повышении температуры. Например, ЧВГ используется взамен СЧ для производства головок цилиндров крупных морских дизельных ДВС.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.Отливки из легированного чугуна со специальными свойствами.

     Чугунное литье известно более двух тысячелетии. Историческими примерами достижения отечественных литейщиков чугуна являются отливки царь-пушки и царь-колокола. Особенно сложные и ответственные элементы конструкций современного машиностроения такие, как корпуса крупных судов, дизельных двигателей, паровых и газовых турбин, коленчатые валы, изготовляют из высокопрочного или серого чугуна. Подобные элементы невозможно изготовить другими способами.

     Производство отливок в нашей стране регламентировано межгосударственными стандартами на общие технические условия (ГОСТ 26358–68), на допуски размеров, массы и припуски на механическую обработку (ГОСТ 26645–68). Основным требованием, предъявляемым к большинству чугунных отливок общего назначения, является конструкционная прочность – временное сопротивление, иногда в месте с твердостью, относительным удлинением, пределом текучести или ударной вязкостью. Указанные свойства и прежде всего временное сопротивление при растяжении регламентируются в стандартах марок серого, высокопрочного и ковкого чугунов.

     В современном машиностроении отливки из чугуна наряду с прочностью должны обладать рядом специальных свойств, которые обеспечивают их длительную эксплуатационную стойкость в различных агрессивных средах или других специальных условиях. Специальные свойства и структура таких чугунов определяются в основном химическим составом и, в первую очередь, степенью их легирования. Химический состав легированных чугунов для отливок с повышенной жаростойкостью, коррозионной стойкостью, износостойкостью или жаропрочностью регламентирован ГОСТ 7769–82.

     По ГОСТ 7769–82 в марке легированного чугуна буквы означают: Ч – чугун; легирующие элементы Х – хром, С – кремний, Г – марганец, Н – никель, Д – медь, М –молибден, Т – титан, П – фосфор, Ю – алюминий, Ш – графит в чугуне шаровидной формы; цифры, стоящие после буквы, означают примерную массовую долю основных легирующих элементов.

Например: ЧХ1, ЧХ9Н5.

     По ИСО 2892 в марке чугуна буквы L и S означают соответственно пластинчатый и шаровидный графит, а затем в порядке убывания стоят символы легирующих химических элементов, а также их массовые доли.

Например: L – NiMn 13 7; S – NiCr 30 1.

     Для большинства высоколегированных чугунов термообработкой невозможно изменить структуру металлической основы. Наиболее распространенной термообработкой для отливок является отпуск или отжиг для снятия остаточных напряжении, так как большая часть высоколегированных чугунов, имеющих высокие модуль упругости, линейную усадку, твердость и низкую теплопроводность (табл. 5), склонна к возникновению напряжении и последующему растрескиванию при выбивке из форм, транспортировке или монтаже (особенно высоколегированных кремнистых).

Таблица 5

Виды термообработки отливок  из легированных чугунов

	Режим*
Назначение  термообработки	Температура,°С	Время выдержки, ч	Охлаждение	Виды чугуна
Граитизирующий отжиг для уменьшения твердости и содержания структурно свободного цементита	900 – 950    860 – 880	6–12    1–2	С печью	Низколегированные всех видов, за исключением износостойких  Высоколегированные  кремнистые
Гомогенизирующая выдержка с нормализацией для снижения магнитной проницаемости, твердостии повышения пластичности и прочности	980 –1040	4–6	На воздухе, в масле  или в 15 %-ном водном растворе жидкого  стекла	Высоколегированные марганцевые и никелевые, за исключением марок ЧН4Х2 и ЧГ7Х4
Нормализация для повышения  твердости отливок	1050–1100 860–980	1–2	На воздухе	Высокохромистые износостойкие Низколегированные хромистые, алюминиевые и никелевые, а также марок ЧГ7Х2, ЧН4Х2
Отпуск после отливки  или нормализации для снятия внутренних напряжений	200-250    520–560	2–3    3–4	С печью	Все виды кроме высокохромистых и высокоалюминиевых. Вы-соколегированные хромистые и алюминиевые
Отжиг и высокий отпуск для снижения твердости и улучшения обрабатываемости	690–750 660–690	6–12	С печью	Высоколегированные  Низколегированные
Отпуск для снижения ползучести жаропрочных отливок (на 30–50 °С выше температуры эксплуатации)	450–650	4-6	С печью	Высоконикелевые жаропрочные с шаровидным графитом
* Время нагрева до температуры выдержки выбирают в зависимости от размеров и массы деталей

     Механические свойства легированных чугунов со специальными свойствами являются факультативными, поэтому их проверяют, если это требование указано в технических условиях, периодически (табл. 35). Низкую теплопроводность lвысоколегированных чугунов, особенно хрупких кремнистых (ЧС 13-ЧС 17) и кремнистых износостойких с алюминием и хромом (ЧЮ6С5, ЧХ22С, ЧЮ7Х2) необходимо учитывать при выборе режимов нагрева и охлаждения отливок при их термообработке, охлаждении в форме, а также при определении температуры выбивки из форм. Шаровидная форма графита понижает теплопроводность l примерно в 2 раза по сравнению с пластинчатой. Легирование чугуна и перевод углерода из графита в связанное состояние (цементит) приводят к резкому снижению l (табл 6).

Таблица 6

Механические свойства легированных чугунов (ГОСТ 7769–82)

Марка	Свойства  отливок	sв,  МПа	s изг  МПа	НВ
4Х1	Жаростойкие	170	350	207 – 286
4Х2	То же	150	310	207 – 286
4Х3	Жаро- и износостойкие	150	310	228 – 364
ЧХЗТ	Износостойкие	200	400	440 – 590
ЧХ9Н5	То же	350	700	490 – 610
4Х16	Жаро- и износостойкие	350	700	400 – 450
4Х16М2	Износостойкие	170	490	490 – 610
4Х22	То же	290	540	330 – 610
ЧХ22С	Жаро- и износостойкие	290	540	215 – 340
4Х28	Жаро-, износо-,коррозионно-стойкие	370	560	215 – 270
ЧХ28П	Стойкие в расплаве цинка	200	400	240 – 390
4Х28Д2	Износо- и коррознонно стойкие	390	690	390 – 640
4Х32	Жаро-, износо- и	390	490	245 – 340
	коррозионно-стойкие
4С4МШ	Устойчивые к термосменам	300		200 – 290
ЧС5	Жаростойкие	150	290	140 – 300
4С5Ш	То же	290	-	228 – 300
4С13	Коррозионно-стойкие	100	210	290 – 390
ЧС15	То же	60	170	290 – 390
4С17	То же	40	140	390 – 450
ЧС15М4	То же	60	140	390 – 450
ЧС17МЗ	То же	60	100	390 – 450
Ч10ХШ	Жаростойкие	390	590	187 – 364
4Ю6С5	Жаро- и износостойкие	120	240	235 – 300