2. Физические и химические свойства

Наиболее важными физическими свойствами сталей являются плотность, коэффициент линейного расширения, теплопроводность, теплоемкость и электропроводность (электросопротивление).

Плотность. Величина плотности литейных сталей составляет от 7,70 до 8,20 г/см³. Чем больше в состав стали входит элементов легче железа, тем меньше ее плотность и наоборот. При повышении содержания углерода плотность стали снижается (рис. 1.17,а).

Между содержанием легирующих элементов и плотностью в реальных условиях нет линейной зависимости, поскольку элементы неравномерно распределяются между фазами стали, имеющими различную плотность.

Из трех твердых растворов аустенита, феррита и мартенсита наибольшую плотность имеет аустенит, а наименьшую — мартенсит. Плотность ферритокарбидных смесей имеет промежуточные значения между плотностью мартенсита и аустенита.

Необходимо отметить, что величина плотности для однофазных сталей может быть ориентировочно подсчитана методом аддитивности.

В процессе затвердевания отливок формируются различные дефекты, нарушающие их сплошность (газовые и усадочные раковины, ситовидная и усадочная пористость, неметаллические включения, ликвация), что также снижает плотность литого металла и, несомненно, сказывается на всех свойствах отливки.

Плотность металла изменяется по толщине отливки. Чем она толще, тем больше различие в значениях плотности наружных и центральных частей отливки, что влияет на уровень механических свойств по сечению отливки (табл. 1.14 и рис. 1.18).

Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР). При расширении сталей при нагреве уменьшается их плотность. Показателем такого расширения служит ТКЛР, а изменение его величины в зависимости от температуры. Коэффициент линейного расширения α зависит от химического состава и структуры. Для сталей одного структурного класса его значения близки, например, для конструкционных сталей перлитного класса. Незначительно различаются по величине α высокохромистые ферритные стали. Коэффициент линейного расширения аустенитных сталей примерно в 1,5 раза больше, чем у сталей перлитного ферритного классов. Наиболее высокий коэффициент линейного расширения имеют хромоникелевые стали, но с увеличением содержания никеля его значения уменьшаются. Знание величины α и его изменения температурой чрезвычайно важно, например, при проектировании литейной оснастки, в частности, кокилей, пресс-форм для литья под давлением, стержневых ящиков для изготовления стержней по нагреваемой оснастке и т.д.

Теплопроводность (λ) — это структурно-чувствительное свойство стали, характеризующее ее способность передавать тепло от одной точки к другой при наличии градиента температур. Она зависит от структуры и химического состава сталей. С увеличением содержания углерода теплопроводность углеродистых сталей снижается (рис. 1.17,б). Теплопроводность легированных сталей значительно ниже теплопроводности углеродистых сталей. Наиболее низкой теплопроводностью обладают стали аустенитного класса.

С повышением температуры теплопроводность стали снижается, причем это снижение у углеродистых сталей и низколегированных сталей перлитного класса происходит более интенсивно, чем у легированных сталей других классов. Теплопроводность аустенитных сталей с повышением температуры возрастает. Наличие внутренних дефектов в теле отливки (пористость, неметаллические включения) или фаз с более низкой теплопроводностью (карбиды) уменьшает теплопроводность сталей.

Теплопроводность существенным образом влияет на характер кристаллизации стали в отливках. Низкотеплопроводные стали в большой степени склонны к дендритной кристаллизации. Кроме того, в отливках из таких сталей формируются значительные термические напряжения.

Теплоемкость — свойство сталей, характеризующее способность поглощать тепло при нагреве. Теплоемкость углеродистых и низколегированных конструкционных сталей практически одинакова. С увеличением степени легированности теплоемкость возрастает, достигая наибольших значений в сталях аустенитного класса.

При нагреве теплоемкость сталей возрастает, причем у сталей перлитного класса она возрастает значительно интенсивней (приблизительно на 60 %), чем у аустенитных сталей (на 15—20 %). Теплота плавления углеродистых сталей не изменяется, а теплосодержание несколько возрастает с увеличением концентрации углерода. С повышением температуры теплосодержание всех сталей интенсивно растет. Эти величины обычно используют для определения количества энергии, необходимой для приготовления расплавов сталей.

Удельное электросопротивление (ρ) является структурно-чувствительной характеристикой сталей. С уменьшением плотности сталей, наличием дефектов в их структуре, увеличением искажения кристаллической решетки структурных составляющих электросопротивление возрастает. С увеличением степени легированности стали электросопротивление также возрастает. То есть при низком легировании удельное электросопротивление увеличивается в 2—3 раза. Еще более высокое значение удельного электросопротивления у высоколегированных сталей. Наибольшей величиной ρ характеризуются стали аустенитного класса. С повышением температуры удельное электросопротивление углеродистых и низколегированных сталей возрастает в несколько раз, а у высоколегированных — на 60—80%. При температуре выше 900^оС величина электросопротивления становится практически одинаковой у всех сталей. Значение величин электросопротивления помогает литейщикам правильно выбрать режим плавления сталей. Так, при индукционной плавке коэффициент использования тепла в начальный период плавки аустенитных сталей будет выше, следовательно, расход электроэнергии на выплавку одного и того же количества металла в случае легированных сталей будет меньше по сравнению с нелегированными.