Экзаменационный билет № 15

1. Влияние перегрева на литейные свойства сталей и формирование структуры отливок.

Перегрев влияет на формозаполняемость, увилич. Жидкотекучесть

Видманштеттова структура имеет два характерных признака: крупнозернистость и определенную направленность пластин феррита в доэвтектоидных сталях или цементитных игл в заэвтектоидных сталях.

Эта структура образуется вследствие охлаждения крупнозернистой стали из аустенитного состояния. При перекристаллизации в доэвтектоидной стали феррит или в заэвтектоидной стали цементит вторичный образуется не только на границах, но и внутри зерен аустенита (по плоскостям кристаллической решетки в местах различных кристаллических дефектов).

Видманштеттова структура — признак перегрева стали. Перегретая сталь не всегда имеет видманштеттову структуру.

Перегрев стали- образование крупнозернистой, а иногда грубоигольчатой структуры стали в результате чрезмерно высокого нагрева. Решающими факторами, определяющими рост зерна аустенита, являются темп-ра и время нагрева.. Увеличение содержания углерода до эвтектоидного уменьшает склонность стали к перегреву, а наличие труднорастворимых карбидов препятствует перегреву. Сталь с наследственным мелким зерном до определенной темп-ры менее склонна к перегреву, но при значит, увеличении темп-ры склонность к перегреву у нее становится большей, чем у крупнозернистой. Крупнозернистая перегретая сталь обладает пониж. вязкостью и высокой чувствительностью к хрупкому разрушению. Перегрев стали часто вызывает поломку деталей машин. Нагрев под закалку перегретой стали измельчает зерно.. Для разрушения крупнозернистой тексстуры перегретую сталь перед закалкой следует подвергать промежуточному отжигу или нормализации. При этом происходит рекристаллизация аустенитных зерен, получивших нек-рый наклеп в результате фазовых превращений.

2. Чем можно частично заменить никель в аустенитных сталях ? Как определить эквивалент никеля ?

Аустенитные стали обладают высокими коррозионной стойкостью, кислотностью, износостойкостью, жаростойкостью, жаропрочностью. Осн. легир. эл-ми явл-ся хром, никель, молибден. Для улучшения той или иной эксплутационной характеристики стали дополнительно легируют вольфрамом, молибденом, кремнием, титаном, ниобием, алюминием, бором.

Эквивалент никеля и хрома— множитель, учитывающий влияние эл-тов, способствующих превращению (ферритизации) или препятствующих этому превращению (аустени-зации) в Сг — Ni-сталях. К аустенитообразующим эл-там, т. е. действующим аналогично Ni, относятся С, N, Мп; к ферритообразующим, действующим как Сг, — Mo, W, Ti, Nb, Та, Si Эквивалент никеля равен % Ni — 30% С — 0,5% Мn; Эквивалент хрома равен % Сг - % Мо — 1,5% Nb .

3. Влияние химического состава на структуру и механические свойства серого чугуна. Марки, химический состав, структура и свойства серых чугунов с пластинчатым графитом.

Влияние химического состава на структуру серого чугуна

Углерод определяет количество графита в чугуне: чем выше его содержание, тем больше образуется графита и тем ниже механические свойства. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств (хорошей жидкотекучести) должно быть не меньше 2,4% С. Общее количество углерода определяет положение чугуна на диаграмме состояния сплавов железа с углеродом.

Кремний оказывает большое влияние на структуру и свойства чугунов, так как величина температурного интервала, в котором в равновесии с жидким сплавом находятся аустенит и графит, зависит от его содержания. Чем больше содержание кремния, тем шире эвтектический интервал температур. Таким образом, кремний способствует процессу графитизации, действуя в том же направлении, что и замедление скорости охлаждения. Изменяя, с одной стороны, содержание в чугуне углерода и кремния, а с другой — скорость охлаждения, можно получить различную структуру металлической основы чугуна. Чем больше кремния в жидком чугуне, тем меньше в нем останется углерода, так как он выделяется в виде легких по удельному весу частиц спели. Кремний способствует выделению углерода в чугуне в форме графита и препятствует отбелу чугуна вследствие уменьшения общего количества цементита. Кремний при содержании до 3,0% в обыкновенном чугуне самостоятельной фазы не образует и под микроскопом не обнаруживается, давая раствор в γ – железе и α –железе. При содержании более 3.0% кремний дает карбидную фазу и чугун снова начинает отбеливаться. При содержании в чугуне выше 3.5% кремний образует химическое соединение –силицид железа FeSi, весьма стойкое в кислотах.

Главная роль марганца заключается в его карбидообразующей способности. Карбид Mn₃C_,, соединяясь с цементитом, дает сложный карбид состава mMn₃C•nFe₃C, который обладает твердостью >450 по Бринелю и не поддается мехобработке.

При малом содержании марганца в сером чугуне и большем содержании в нем серы образуется крайне вредное соединение железа с серой, значительно снижающее жидкотекучесть и механические свойства чугуна. Отливки получаются отбеленными, пронизанными газовыми раковинами и обладающие красноломкостью (хрупкость при красном калении).

Оптимальное содержание Mn в расплаве определяется по приведенному уравнению:

[Mn] = 1.7 [S] + (0.2 ÷0.5)

Сера ухудшает механические и литейные свойства. Сера и марганец препятствуют графитизации.

Фосфор не влияет на графитизацию, а при повышенном (до 0,4...0,5 %) содержании повышает износостойкость чугунов, так как образуются твердые включения фосфидной эвтектики. Фосфор с железом дает химическое соединение- фосфид железа Fe₃P. При содержании ниже 0.2% фосфор образует раствор в γ-железе и в α-железе, а выше 0.2% - самостоятельную фазу – двойную эфтектику из Fe- γ-Fe₃P-Fe₃C и цементита Fe₃C. При повышении содержания Р более 0.3% прочность отливок понижается, а хрупкость повышается. Вследствие легкоплавкости фосфидной эвтектики (Т_пл.= 970^оС) жидкотекучесть фосфористого чугуна тем больше, чем больше в нем фосфора. При содержании около 1.0%Р, чугун настолько отчетливо заполняет литейную форму, что находит применение в художественном литье.

Влияние химического состава на свойства серого чугуна

Содержание Р в сером чугуне 0,2 % . При повышении содержании Р в сером чугуне образуются твердые включения фосфидной эвтектики. Эвтектика улучшает литейные свойства чугунов. Чем меньше графитных включений , чем они мельче и больше степень их изолированности , тем выше прочность чугуна. Графитные включения разделяют металлическую основу , нарушая сплошность металлической основы, делают чугун малочувствительным к всевозможным концентратам напряжения. Графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна, в следствии собственного “смазывающего действия”. Графит улучшает обрабатываемость резанием, делая стружку ломкой. Но присутствие графита уменьшает сопротивление отрыву, временное сопротивление и особенно сильно пластичность чугуна = 0,5 % при растяжении. Графитные включения мало влияют на снижение твердости и при сжатии , величина их определяет-ся структурой металлической основы . Разрушающая нагрузка при сжатии в 3-5 раз больше , чем при растяжении. Поэтому чугун рекомендуется использовать преимущественно для изделий , работающих на сжатие.

серых чугунов с пластинчатым графитом

Пластины графита с острыми краями уменьшают живое сечение металлической матрицы и, главное, являются внутренними концентраторами напряжений, способствующими зарождению и развитию трещин. Коэффициент концентраций растягивающих напряжений около пластин графита достигает 7,5. Пластины графита сильно снижают прочность и пластичность чугуна при растяжении. Относительное удлинение серых чугунов с пластинчатым графитом, как правило, не превышает 0,5–1,0 % и стандартом не гарантируется. На прочность при сжатии включения графита влияют значительно слабее, поэтому чугун особенно выгодно использовать для изготовления деталей, работающих на сжатие.

Наличие большого количества внутренних концентраторов напряжений в виде пластин графита делает серый чугун малочувствительным к внешним концентраторам напряжений: резким переходам между сечениями отливки, надрезам, выточкам, царапинам и другим неровностям поверхности отливки.

Серый чугун с пластинчатым графитом маркируют буквами СЧ, за которыми следует число, обозначающее гарантируемое временное сопротивление при растяжении в МПа · 10^–1. ГОСТ 1412–85 включает шесть основных марок серого чугуна — от СЧ 10 до СЧ 35 (табл. 1). По требованию потребителя для изготовления отливок допускаются марки чугуна СЧ 18, СЧ 21, СЧ 24. Сдаточной характеристикой является только  _в

Чем выше углеродный эквивалент, тем ниже прочность. У чугуна СЧ 10 С_э = 4,25–4,6, а у чугуна СЧ 35 С_э = 3,3–3,5. Чугун СЧ 10 по структуре эвтектический или слегка заэвтектический, а чугун СЧ 35 — доэвтектический.

Снижение прочности с увеличением С_э обусловлено большой полнотой графитизации, образованием более крупных включений графита и уменьшением доли перлита (увеличением доли феррита). Чугун СЧ 10 имеет ферритную основу, а чугун СЧ 35 — перлитную.

Поскольку строение чугуна зависит не только от его химического состава, но и от условий плавки и литья, то эти условия также влияют на механические свойства чугуна. С ускорением охлаждения мельче становятся включения графита, уменьшается его количество, увеличивается доля перлита и уменьшается межпластиночное расстояние в перлите. Все эти факторы приводят к повышению прочности и твердости при заданном химическом составе чугуна.

Благодаря включениям графита, чугун отличается высокой демпфирующей способностью. Решающее значение для уровня демпфирующих свойств чугуна имеют количество, форма и распределение графита в чугуне, что иллюстрируется приведенными ниже значениями логарифмического декремента колебаний  10 для различных чугунов по сравнению со сталью

 Наивысший демпфирующей способностью обладают чугуны с пластинчатым графитом марок СЧ 10 и СЧ 15, которые имеют в своей структуре максимальное количество графита (углеродный эквивалент С_э = 4,25–4,6).

Графит делает стружку ломкой, благодаря чему серый чугун хорошо обрабатывается резанием. Лучшими литейными свойствами (большой жидкотекучестью, меньшей усадкой из-за увеличения удельного объема при образовании графита) обладают чугуны низких марок (СЧ 10, СЧ 15). Но все же наиболее широко в машиностроении используют более прочные чугуны марок СЧ 20–СЧ 35.

Основные области применения серого чугуна — станкостроение и тяжелое машиностроение (станины станков, разнообразные корпусные детали), автомобильная промышленность и сельскохозяйственное машиностроение, санитарно-техническое оборудование (отопительные радиаторы, трубы, ванны) и др.