как влияет форма графита на свойства чугуна

Влияние формы графита и микроструктуры металлической подложки на механические свойства чугунов.

Серые чугуны имеют пластинчатую форму графита. Графит такой формы, являясь по существу трещиной или надрезом внутри металла, особенно сильно ослабляет чугун при приложении растягивающей нагрузки, поэтому прочностные характеристики его не высоки. Серый чугун маркируется буквами СЧ и двузначной цифрой, показывающей минимальное значение предела прочности на растяжение.

Серый чугун обладает рядом положительный качеств, благодаря чему он нашел широкое применение: обладает высокими литейными свойствами, хорошо обрабатывается на станках, ему присущи хорошие антифрикционные свойства, он дешев.

Высокопрочный чугун имеет шаровидную форму графита. Округлые включения не создают резкой концентрации напряжений, поэтому такой чугун лучше сопротивляется растягивающей нагрузке. Получают шаровидную форму графита путем введения в чугун перед разливкой магния. Условное обозначение марки включает буквы ВЧ и цифры, показывающие минимальное значение предела прочности при растяжении.

Благодаря высоким прочностным характеристикам высокопрочный чугун применяют вместо стали для изготовления особо нагруженных деталей: коленчатых валов, распредвалов, различных кулачковых валиков и т.д. Ковкий чугун имеет хлопьевидную форму графита и по прочности занимает промежуточное положение между серыми и высокопрочными чугунами. Получают такой чугун отжигом (томлением) белого чугуна.

Ковкий чугун применяют для изготовления деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках. Ковкий чугун применяют главным образом для тонкостенных деталей в отличие от высокопрочного чугуна, который используется для деталей большого сечения.

Дата добавления: 2015-01-09 ; просмотров: 1324 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Влияние графитовых включений на механические свойства чугуна

Влияние фосфора

Фосфор подобно кремнию уменьшает растворимость углерода в жидком чугуне и сдвигает эвтектическую точку влево. Но в отличие от кремния фосфор снижает температуру эвтектического превращения.

В твердом чугуне растворимость фосфора мала (при 3,5% С она составляет примерно 0,3%). Избыточное количество выделяется в виде – тройной фосфидной эвтектики Fe₃P–Fe₃C–Fe, плавящейся при 953° С.

Фосфор оказывает незначительное влияние на графитизацию. Увеличение содержания фосфора, благодаря легированию феррита, вначале способствует повышению механических свойств; затем вследствие выделения фосфидной эвтектики в виде крупных включений или сетки по границам зерен снижает прочность. Это критическое содержание фосфора зависит от типа чугуна, содержания других элементов и составляет 0,3–0,8%.

Графит сильно влияет на основные свойства чугуна, в первую очередь на прочность, характеризующую чугун как конструкционный материал.

Влияние графита на прочностные свойства происходит из-за ослабления поперечного сечения металлической матрицы в направлении, перпендикулярном приложению внешней растягивающей силы, «суживающего» действия, связанного с изменением длины и плотности силовых линий.

При допущении, что все графитовые включения расположены в виде цилиндрических пустот вдоль оси цилиндрического образца, его «живое» поперечное сечение было бы ослаблено на 10-15% и, соответственно, повысились бы напряжения (рисунок ).

а – графитовые включения расположены в виде цилиндрических пустот вдоль оси цилиндрического образца; б – графитовые включения расположены в виде пластин.

Рисунок – Влияние графитовых включений на ослабление металлической матрицы

Графитовые включения также оказывают надрезывающее влияние на металлическую матрицу (рисунок ).

Рисунок – Влияние формы графитовых включений на увеличение внутренних напряжений в металлической матрице

Увеличение плотности силовых линий соответствует повышению напряжений. По краям графитовых включений происходит наибольшее сближение силовых линий. Чем острее край включения, тем больше взаимное сближение силовых линий и тем больше локальное повышение напряжений. При превышении определенной величины перенапряжений в «надрезанной» металлической основе, последняя – разрушается.

Надрезывающее влияние пластинчатого графита на снижение прочности тем больше, чем больше количество графита и крупнее его размеры. Этим и объясняется разница в механических свойства чугунов и сталей с одинаковой матрицей.

В общем случае графит уменьшает:

1 – пределы прочности при растяжении, упругости и пропорциональности, кгс/мм 2 ;

3 – модуль упругости Е, ГПа;

4 – чувствительность к надрезам;

5 – повышает циклическую вязкость, %.

Отрицательное влияние графита на эти показатели снижается при уменьшении количества графита и приближении его формы к шарообразной.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Графитные серые чугуны

Структура серого чугуна при получении отливок формируется в процессе медленного охлаждения, поэтому цементит, будучи при высоких температурах неустойчивым химическим соединением, распадается с образованием графита:

Fe₃C → А + Г при температуре выше линии PSK и

Fe₃C → Ф + Г при температурах ниже линии РSК. Графит имеет форму пластин.

Чем больше скорость охлаждения, тем в меньшей степени успевает произойти процесс графитизации.

Металлическая основа чугуна может состоять:

Ø из перлита (если количество связанного углерода в чугуне составляет 0,8 %), или

Ø из феррита + перлита (если количество связанного углерода меньше 0,8 %), или только

Ø из феррита (С_связ ≤ 0,025 %).

В зависимости от структуры металлической основы различают:

Ø перлитный чугун, имеющий структуру П + Г,

Ø ферритно-перлитный чугун, структура которого состоит из Ф +П + Г;

Ø ферритный чугун со структурой Ф + Г.

Таким образом структура серого чугуна представляет собой стальную основу, пронизанную графитовыми включениями. Прочность графита по сравнению с металлической основой ничтожна, его присутствие в чугуне равносильно пустоте. Наличие графита снижает механические свойства чугуна, но повышает его износоустойчивость и способность поглощать вибрации.

В зависимости от формы графита серые чугуны подразделяются на:

Следовательно, структура этих чугунов отличается от структуры стали только наличием свободного графита.

Наименьшую прочность имеет ферритный чугун. Твердость чугуна с различной структурой металлической основы имеет следующие значения:

Пластичность чугунов мало зависит от структуры металлической основы.

Форма графитных включений мало влияет на твердость чугуна, однако на прочность и пластические свойства она оказывает значительное влияние. Наиболее благоприятной формой графита является шаровидная, а пластинчатый графит снижает прочность и пластичность чугуна.

Пластичность чугуна очень заметно зависит от формы включений графита:

Кроме снижения прочности и пластичности включения графита заметно понижают также модуль упругости чугуна, значения которого оказываются значительно ниже, чем у стали.

Следует отметить, что в определенных случаях наличие графита в структуре полезно и дает чугуну преимущества перед сталью: включения графита облегчают обрабатываемость чугуна резанием (стружка делается ломкой); благодаря смазывающему действию графита чугун обладает хорошими антифрикционными свойствами, т. е. хорошо работает на трение; чугун с включениями графита обладает способностью быстро гасить вибрации, колебания; графит делает чугун практически нечувствительным к поверхностным надрезам и другим дополнительным дефектам на поверхности.

Следует также отметить хорошие литейные свойства чугуна, дающие ему преимущество по сравнению со сталью.

Рис. 2. Классификация серых чугунов по строению металлической основы и форме графитовых включений

Источник

Зависимость механических свойств чугунов от формы графита и структуры металлической части

Металлическая основа	Твердость, НВ	Форма графитовых включений
Пластинчатая (серые чугуны)	Хлопьевидная (ковкие чугуны)	Шаровидная (высокопрочные чугуны)
П
Ф + П
Ф

Чем более дисперсны графитные включения, тем выше прочность чугуна при одной и той же металлической основе. Наиболее высокую прочность обеспечивает шаровидная форма графитной составляющей, а для хлопьевидной составляющей характерны высокие пластические свойства.

Рис. 3.17. Структурная диаграмма для чугунов в зависимости от содержания углерода и кремния (а) и толщины стенки (скорости кристаллизации) (б):

I – белые чугуны; I’– половинчатые чугуны; II, III, IV – серые чугуны соответственно с перлитной, феррито-перлитной и ферритной металлической основой

На рис. 3.2 показано, каким образом можно регулировать структуру металлической составляющей чугунов, изменяя содержание углерода и кремния, а также скорость охлаждения (путем изменения толщины стенки отливки). При пониженной скорости охлаждения фазовые превращения идут в соответствии с равновесной диаграммой, и образуется графит. При повышенной скорости охлаждения углерод частично выделяется в виде цементита. Половинчатым называется чугун, в котором эвтектическая реакция протекает и с образованием графита, и с образованием цементита. Механические свойства чугунов могут быть изменены при использовании следующих способов: специальное легирование (хромом, никелем, молибденом, медью – для серых чугунов); химико-термическая обработка (азотирование); упрочняющая термическая обработка (для высокопрочных чугунов).

Серые чугуны

Графит в серых чугунах присутствует в форме пластинчатых включений.

Свойства. Особенность серых чугунов как машиностроительного материала состоит в том, что их целесообразно применять при работе деталей в условиях преимущественно сжимающих напряжений. Причина в том, что пластины графита располагаются в полостях металлической части, которые имеют остроугольную форму. Острые надрезы этих полостей являются своеобразными концентраторами напряжений, в которых при растягивающей нагрузке легко формируются очаги разрушения. В связи с этим временное сопротивление разрыву при растяжении серых чугунов в 2 – 4 раза ниже, чем предел прочности при сжатии: σ_В не превышает 350 МПа. Влияние остроугольной формы полостей, в которых расположены пластины графита, на прочность чугунов значительно меньше проявляется при более «мягких» способах нагружения (изгиб, кручение).

Серые чугуны из-за пластинчатой формы включений имеют такой технологический недостаток, как зависимость фазового состава от скорости охлаждения, что проявляется в чувствительности уровня механических свойств к толщине стенки отливки. Чем тоньше стенка, тем быстрее происходит в ней процесс кристаллизации, тем меньше размеры графитовых включений, больше количество перлита, что приводит к повышению временного сопротивления разрыву. В толстостенных отливках образуются более крупные включения графита, что снижает прочность.

При диаметре отливки, например, 20 и 60 мм различие в значениях σ_В может составить до 100 МПа. В связи с этим серые чугуны ограничено применяют для изготовления разностенных отливок.

Термообработка отливок из серых чугунов состоит в длительном отжиге при температурах 520 – 600 о С для снятия напряжений, возникших при кристаллизации. Применяют также отжиг для улучшения обрабатываемости резанием при 680 – 750°С.

Применение серых чугунов

Чугун марки СЧ35 обладает наибольшей из всех серых чугунов герметичностью, он предназначен для корпусов компрессоров, насосов, арматуры, тормозной пневматики. Из менее прочных сплавов изготовляют головки и блоки цилиндров, а также различные литые детали в авто- и тракторостроении, а также в сельскохозяйственном машиностроении.

Высокопрочные чугуны

В высокопрочных чугунах частицы графита имеют шаровидную форму. Шаровидная форма графита получается за счет модифицирования чугунов, путем введения в расплав солей магния. Магний изменяет поверхностное натяжение графитовых частиц, в связи с чем они приобретают форму с минимальной поверхностью при данном объеме – форму шара.

Высокопрочные чугуны отличаются более высоким содержанием углерода, чем серые, – 3,0 – 3,6 %.

Шаровидные частицы графита значительно меньше ослабляют прочность чугунов при жестких способах нагружения, чем пластинчатые. По комплексу характеристик конструкционной прочности высокопрочные чугуны выгодно отличаются от других конструкционных материалов:

– лучшей износостойкостью, антифрикционностью и обрабатываемостью резанием – от сталей;

– большей прочностью (в 3 – 5 раз) и пластичностью – от серых чугунов;

– возможностью уменьшить толщину отливки и тем самым снизить массу детали при одновременном повышении надежности – по сравнению с серыми чугунами;

– возможностью применения всех видов упрочняющей термической обработки, как и для сталей.

Марки. Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом маркируются буквами ВЧШГ (для краткости – ВЧ) (ГОСТ 7293–85) и числом, равным временному сопротивлению разрыву (МПа), уменьшенному в 10 раз.

Термообработка высокопрочных чугунов может быть разнообразной: закалка с отпуском, изотермическая закалка, сфероидизирующий отжиг. Частицы шаровидной формы не создают в сплаве концентраторов напряжений. Такая благоприятная форма позволяет применять к высокопрочным чугунам не только отжиг, но и упрочняющую термическую обработку, без опасения образования трещин от внутренних напряжений. После сфероидизирующего отжига, без дополнительной термообработки получают чугуны марок ВЧ35, ВЧ40. Применение изотермической закалки приводит к получению бейнитного чугуна. Это обеспечивает почти равную прочность с легированными сталями. Так, например, перлитный чугун в литом состоянии имеет σ_в = 600 – 700 МПа, а после изотермической закалки – 1100 – 1200 МПа. Чугуны ВЧ80, ВЧ100 применяют после закалки с отпуском.

Применение. Такие свойства позволяют применять высокопрочные чугуны не только для малоответственных литых деталей (марки ВЧ35 и ВЧ40), но и для деталей, работающих в условиях повышенных статических и динамических нагрузок (табл. 3.15).

Источник

Формообразование графита чугуна

Однако другие дегазирующие и обессеривающие элементы, например алюминии, повышая поверхностное натяжение чугуна, вовсе не способствует или, как кальций, далёко не всегда способствуют образованию шаровидного графита в чугуне. Таким образом, одного высокого поверхностного натяжения оказывается недостаточно для кристаллизации графита в шаровидной форме. Поэтому Б.С. Мильман, считает необходимым наличие, кроме этого условия, еще и известного переохлаждения.

Оценка поверхностного натяжения как основного энергетического фактора формообразования графита встречается часто. Так, например, Гейленберг, исходя из общего выражения измерения энергии при кристаллизации (I.21) и из того, что удельная поверхность на единицу объема у пластинчатого графита больше, чем у шаровидного, доказывает, что при малых значениях межфазного натяжения термодинамически выгодней образование пластичного графита, а при больших — шаровидного. По произведенным расчетам таким критическим значением межфазного натяжения является 1170 дин/см. Точно также и другие исследователи считают возможным образование шаровидного графита только в случае определенного соотношения в значениях межфазного натяжения между графитом, аустенитом и жидким раствором, а по Л.Л. Кунину для этого необходимо отсутствие смачивания, т. е. краевой угол а — 180°. Ha первый взгляд в полном соответствии с этими положениями находится установленный П.И. Степиным, Н.И. Клочневым, К. В. Горевым и зарубежными исследователями факт образования пластинчатого графита при избытке глобулизирующих элементов, когда поверхностное натяжение снижается («перемодифицирование»), что может быть объяснено адсорбцией магния на всех гранях кристалла. В то же время следует отметить, что теории поверхностного натяжения как определяющего фактора формообразования игнорируют то обстоятельство, что шаровидный графит отличается от пластинчатого не только по форме, но и по текстуре. Кроме того, известно, что сера, понижающая поверхностное натяжение, все же способствует образованию шаровидного графита при термической обработке белого чугуна (при высоком отношении S:Mn). Исследования автора, проведенные совместно с М.П. Симановским, подтвердили, что то же явление наблюдается и в сером чугуне. Интересно также отметить, что А. Витмозер получил чугун с шаровидным графитом путем присадки алюминия и серы. Более того, исследования К.И. Ващенко совместно с А. П. Рудым, а затем и с К.К. Косняку показывают, что максимум поверхностного натяжения (рис. 35, a) соответствует, примерно, 0,01% Mg, при котором графит вовсе не выделяется в шаровидной форме. Хотя по другим исследованиям (кривая 2 па рис. 35, а) максимум поверхностного натяжения соответствует более высокому содержанию магния, они также свидетельствуют о том, что межфазное натяжение нельзя считать определяющим фактором формообразования.

В этом отношении интересен вопрос об идиоморфной форме графита. Известно, что при достаточно высоких температурах и давлениях меняется не только форма роста графита, но и его внутреннее строение, и графит переходит даже в алмазную форму. В обычных же условиях равновесной формой, по-видимому, является пластинчатая, что объясняется его слоистой структурой, отличающейся большой анизотропией. Так, например, расчет величины поверхностного натяжения вдоль и перпендикулярно базисной плоскости решетки графита дал следующие значения: на плоскости параллельной базису — 562 эрг/см2 или дин/см; на плоскости перпендикулярной базису — 4330 эрг/см2 или дин/см, что соответствует коэффициенту анизотропии в 7,7. Это приводит к разным скоростям роста в разных направлениях, в данном случае — к преимущественному росту вдоль базиса и следовательно, к развитию наиболее плотно упакованных плоскостей с наименьшей поверхностной энергией. При этом пластинки первичного графита большей частью разветвлены, что является следствием его дендритообразного роста, обусловленного концентрационным переохлаждением в пограничном слое у фронта кристаллизации вследствие резкого понижения концентрации углерода в жидком расплаве при выделении высокоуглеродистой фазы — графита. Таким образом, в обычных условиях идиоморфной формой графита является, по-видимому, пластинчатая, хотя некоторые исследователи, в частности Д.П. Иванов, придерживаются противоположной точки зрения.

Из всего вышеуказанного следует, что наиболее обоснованными являются гипотезы третьей группы (схемы 3), объясняющие формообразование с точки зрения разных скоростей роста отдельных граней графита, которые определяются как внутренним строением и анизотропностью графита, так и влиянием внешних условий.

Едва ли не самую большую роль в этом отношении играют примеси, незначительные концентрации которых могут резко изменить огранку кристаллов. И действительно, примеси оказывают большое влияние на форму графита: Mg. Ce, Th и др., а в некоторых случаях Ca и даже S (в больших концентрациях) способствуют образованию шаровидного графита; Pb, Bi, Al, Ti, H2 и S (в средних концентрациях), наоборот, благоприятствуют кристаллизации графита в пластинчатой форме; Te и его комбинации с церием способствуют образованию компактного и притом разветвленного графита, напоминающего углерод отжига ковкого чугуна, в особенности при низком содержании С, Si и S. При этом механизм влияния примесей весьма разнообразен: они могут механически внедряться в решетку графита или избирательно адсорбироваться на гранях графита, соответственно изменяя их скорость роста; они могут так же, как показал А.Г. Спасский, отталкиваться к границам растущего кристалла и, образуя своеобразный барьер, тем самым уменьшать скорость роста всего кристалла или колонии в целом. Во всех случаях при этом примеси оказывают различное влияние на скорость роста отдельных граней кристалла, изменяя его форму. Даже при изменении общей скорости роста кристалла, например при образовании барьера, это сказывается прежде всего на той грани, которая растет с наибольшей скоростью; ее скорость постепенно уменьшается и выравнивается со скоростями роста других граней, пока, наконец, лимитирующим фактором не становится диффузия углерода через барьер примесей. В последнем случае форма графита уже определяется только соотношением скоростей доставки атомов углерода с разных сторон, кристаллы становятся аллотриоморфными. Такое действие примесей основано, вероятно, на внедрении в решетку растворителя или адсорбции, в связи с чем происходит изменение межфазного натяжения и скоростей роста граней. Экспериментальным подтверждением этого могут служить исследования распределения глобулизирующих элементов между матрицей и графитом. К сожалению, они весьма противоречивы и обнаруживают то равномерное распределение элементов по объему металла, то преимущественную концентрацию в матрице, карбидах или в графите. Э.П. Рикман, например, нашла:

С другой стороны, Л.Е. Кривошеев и др. обнаружили примерно одинаковое содержание церия в феррите и графите. Можно предположить, что распределение примесей зависит от их концентраций, структуры чугуна и других факторов и поэтому может значительно изменяться. Во всяком случае несомненно, что глобулизирующие элементы, в частности магний, растворяются, хотя и в малой степени, в матрице, как это следует из опытов Ф.Н. Тавадзе и М.А. Эссена, а затем П.И. Стенина, доказавших возможность округления пластинчатого графита при диффузионной обработке твердого чугуна магнием под повышенным давлением. В то же время эти элементы растворяются и в графите, причем превалирует мнение, что они распределяются в графите объемно, располагаясь между его слоями.

Хаким образом, глобулизирующие примеси, находясь в графите, тормозят его рост в направлении базиса и способствуют его росту в перпендикулярном направлении. Сравнивая различные выделения графита (рис. 33), можно думать, что шаровидные включения в общем растут аналогично розеточным с той только разницей, что вследствие большего поперечного или меньшего продольного роста аустенит выклинивается между элементарными кристаллами, вследствие чего он начинает кристаллизоваться по периферии включения, образуя оторочку вокруг графита. Наличие последней приводит к тому, что атомы углерода в дальнейшем поступают только путем диффузии через эту оторочку, вследствие чего кристаллизация графита происходит в шаровидной форме. Этому в значительной мере способствует, кроме примесей, большая скорость охлаждения. И действительно, в ряде случаев, как в Fe—С, так и, особенно, в Ni—C и Co—С сплавах бывает иногда довольно одного переохлаждения без присадки глобулизирующих элементов для получения шаровидного графита. Это дало основание И. Чикелю и другим предложить схемы, представляющие форму графита как функцию переохлаждения, а Витмозеру и Гудремону — трактовать влияние примесей, как перемещение допустимой области переохлаждения. Однако большое переохлаждение вовсе не является всегда обязательным условием получения шаровидного графита. Как видно из рис. 36, переохлаждение и кристаллизация в интервале температур с образованием шаровидного графита наблюдается в Ni—С сплавах только в присутствии Mg. В остальных случаях вне зависимости от формы графита заметного переохлаждения не наблюдается, и кривая охлаждения имеет горизонтальную площадку в периоде кристаллизации. Все это подтверждает положение, что форма графита определяется соотношением скоростей роста граней, а межфазное натяжение, примеси, переохлаждение и сопротивление среды являются только факторами, оказывающими то или иное влияние на эти скорости роста.

Источник