- •Конструкционные материалы в Автомобилестроении
- •1. 1. Требования, предъявляемые к металлам и сплавам
- •1.2. Химический состав, механические, физические и технологические характеристики металлов и сплавов
- •2.1. Виды чугунов
- •2.2. Чугуны с пластинчатым и шаровидным графитом, ковкие чугуны
- •2.3. Специальные чугуны
- •3.1.Углеродистые стали
- •3.1.1.Углеродистые стали в автомобилестроении
- •3.2.Легированные стали
- •3.3. Легированные и низколегированные стали в автомобилестроении
- •3.3. Рессорно-пружинные, высоколегированные жаростойкие и жаропрочные стали
- •3.4. Марки сталей, чугунов и цветных сплавов, применяемых при изготовлении основных деталей отечественных автомобилей
- •4.1. Цветные алюминиевые, цинковые и магниевые сплавы
- •4.2. Цветные сплавы на медной и цинковой основе
- •4.3. Припои и антифрикционные сплавы
- •5.1. Металлы и материалы, применяемые при восстановлении автомобильных деталей сваркой, наплавкой и напылением
- •5.2. Металлы и материалы, применяемые для наращивания деталей электролитическими покрытиями
- •7.Виды механического разрушения
- •9.Ползучесть. Разрыв при ползучести
- •10. Характеристики износа и виды изнашивания
- •I- окислительное изнашивание; II- схватывание I рода
- •11. Коррозионно-стойкие стали и сплавы. Жаростойкие стали и сплавы. Жаропрочные стали и сплавы
- •12. Технологические методы повышения износостойкости деталей
- •13. Конструктивные и эксплуатационные методы повышения износостойкости деталей машин
2.1. Виды чугунов
Сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% углерода, называют чугунами. Представленные на диаграмме железо — углерод чугуны называют белыми по виду излома. Белый цвет излома объясняется тем, что в белых чугунах весь углерод находится в связанном состоянии. В соответствии с фазовым составом белых чугунов (Ф + Ц) атомы углерода находятся в связанном состоянии — часть в виде твердого раствора внедрения Feα(C) с объемно-центрированной кубической кристаллической решеткой феррита, и часть в виде химического соединения с железом — цементита Fe3C.
Белые чугуны в качестве конструкционного материала не используют вследствие их хрупкости. Это вызвано наличием в структуре белых чугунов ледебурита Л (П + Ц), который обладает высокой твердостью 4 000 МПа и нулевым значением относительного удлинения при растяжении.
Около 80 % белых чугунов используют в качестве полуфабриката для выплавки стали. Оставшиеся 20 % перерабатывают в так называемые графитизированные чугуны, в которых часть углерода переводят в свободное состояние в виде самостоятельной фазы графита. Графитизированные чугуны широко применяют в машиностроении в качестве дешевого конструкционного материала литейной технологии.
Графит является одной из аллотропных модификаций углерода с гексагональной кристаллической решеткой. Атомы углерода в кристаллической решетке графита расположены в виде параллельных слоев (рис. 1). Связь между атомами в слое осуществляется сильными ковалентными связями, а между слоями действуют более слабые молекулярные связи. Кристаллит графита можно представить в виде многослойной стопки огромных плоских двухмерных молекул со слабыми связями между слоями. Размеры атомных плоскостей графита могут достигать 1 • 104 нм. Вследствие малой межслоевой прочности механические свойства графита низкие. При рассмотрении структуры графитизированных чугунов графит считают фазой, имеющей практически нулевую прочность. Графитовые включения рассматривают как пустоты в структуре чугуна. Вместе с тем наличие в структуре свободного графита определяет ряд преимуществ графитизированного чугуна перед сталью:
хорошее стружкообразование: стружка при обработке чугуна сыпучая, а не непрерывная как у стали;
хорошие антифрикционные свойства благодаря смазывающему действию графита;
высокие демпфирующие свойства (гашение вибраций);
практически полное отсутствие чувствительности к поверхностным дефектам и концентраторам напряжений в виде надрезов, отверстий и других нарушений целостности детали.
На диаграмме железо — углерод, полученной в условиях естественного очень медленного охлаждения железоуглеродистых сплавов, графит отсутствует. Образование графита в чугунах является результатом искусственного вмешательства в процесс первичной кристаллизации жидкого раствора углерода в железе или создания условий для выделения свободного углерода Ссв в виде графита в процессе распада цементита при вторичной кристаллизации чугуна:
Fe3C → Fe + Ссв
Форма графитных включений во многом определяет механические свойства графитизированных чугунов и зависит от условий кристаллизации.
Рис.
1. Кристаллическая решетка графита: а,
с —
кристаллографические оси
Серыми называют чугуны, в которых включения графита в плоскости шлифа имеют пластинчатую форму (рис. 2, а). Название чугуны получили по темно-серому цвету излома.
Серые чугуны обладают наименьшей прочностью. Пластинки графита в сером чугуне можно рассматривать как трещины, нарушающие целостность металла. Они уменьшают прочность чугуна при растяжении. Чем крупнее пластинки графита и менее равномерно их распределение по объему, тем меньше прочность чугуна. Включения графита не оказывают практического влияния на прочность при сжатии, так как при таком нагружении трещины закрываются. Предел прочности чугуна при сжатии в 3 — 5 раз больше, чем при растяжении. Нарушение сплошности включениями графита заметно снижают модуль упругости чугуна.
Ковкий чугун имеет хлопьевидные включения графита (рис. 2, б). Название достаточно условное, так как ковкие чугуны ковать нельзя, их механические свойства не позволяют осуществить пластическую деформацию. Они названы ковкими вследствие их относительно высокой пластичности по сравнению с серыми чугунами. Относительное удлинение при растяжении у серого чугуна настолько мало, что не входит в контрольные показатели свойств, а у ковкого чугуна может превышать 10 %.
В высокопрочных чугунах графит имеет шаровидную форму (рис. 2, в). Название отражает высокие механические свойства таких чугунов. Шаровидные нарушения сплошности металлической основы оказывают меньшее влияние на механические свойства высокопрочного чугуна, чем пластинчатые надрезы в сером чугуне. Разновидностью серого чугуна является чугун с вермикулярным графитом (рис. 2, г).
В графитизированных чугунах углерод содержится как в связанном, так и в свободном состояниях.
Долю свободного углерода Ссв в общем содержании углерода Собщ называют степенью графитизации. Структура металлической основы чугуна определяется содержанием в ней связанного углерода Ссвяз.
Рис.
2. Микроструктура графитизированных
чугунов (х250): а
—
серый; б
—
ковкий; в
—
высокопрочный; г
—
с вермикулярным графитом
Таблица 1. Классификация графитизированных чугунов
При производстве на автозаводах чугунных автомобильных деталей широко используются тестированные чугуны с пластинчатым и шаровидным графитом, ковкие чугуны, а также специальные чугуны — легированные с улучшенными или специфическими, по отношению к тестированным маркам, свойствами; такие чугуны применяются согласно разработанным и утвержденным техническим условиям предприятий или объединений автомобильной промышленности.