Влияние металлической матрицы и структуры чугуна на механические свойства отливки

 

Механические свойства чугуна зависят от величины литейного зерна. Чем меньше литейное зерно (больше его номер), тем выше прочность чугуна.

Размер зерна определяется 8 баллами по расположению феррита эвтектики.

Рисунок 14 – Влияние размера графитовых включений и зерна на прочность СЧПГ

 

Величина зерна оказывает влияние на количество графитовых включений и на процесс вторичной кристаллизации, от которых, в свою очередь, зависит прочность чугуна.

Изучение влияния основной металлической матрицы необходимо проводить после термической обработки, т.к. после неё остаются без изменения форма и величина графитовых включений. Мелкодисперсные структуры (полученные после закалки), обладают высокими прочностными свойствами. Но чугуны с мартенситной структурой характеризуется меньшей прочностью за счет появления больших напряжений, поэтому низкотемпературный отпуск значительно повышает прочность такого чугуна.

Механические свойства чугуна определяются главным образом структурой металлической матрицы, формой и размером графита и размером эвтектического зерна, с размельчением которого прочность повышается.

 

Рисунок 15 – Влияние формы и количества графита на модуль упругости чугунов

 

Рисунок 16 – Влияние металлической матрицы на твердость чугуна

 

Модуль упругости зависит в основном от формы и расположения графита (рисунок 15), а твердость от металлической матрицы (рисунок 16).

Прочность чугуна является функцией модуля упругости и твердости.

 

σ_в = к·Е·НВ,

 

где к – коэффициент зависящий от вида чугуна.

 

Таблица 3 – Значение коэффициента к в зависимости от вида чугуна

Вид чугуна	СЧПГ	Модифицированный СЧ	КЧ	ВЧШГ
Коэфф. К·106	8-10	10-12	12-14	14-16

 

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

Влияние графита на прочностные свойства складывается из ослабления поперечного сечения металлической основы в направлении, перпендикулярном приложению внешней растягивающей силы, и «суживающего» действия, связанного с изменением длины и плотности силовых линий, следующих разветвлениям металлических мостков, обусловленных хаотическим распределением включений графита.

 

Раздел 4. Получение отливок из различных видов чугуна

 

Отливки из серых чугунов

 

Деформации, образующиеся в результате напряжений, могут быть упругими (обратимыми), пластическими (остаточными) или разрушающими.

 

Таблица 4 – Механические свойства и химический состав СЧПГ

Марка чугуна	Механические свойства	Средний химический состав,%
	σв, кгс/мм2	σи, кгс/мм2	НВ	С	Si	Mn
Заэвтектические
СЧ10			143-229	3,6	2,4	0,6
СЧ15			163-229	3,6	2,2	0,6
Эвтектический
СЧ18			170-229	3,6	2,1	0,6
Доэвтектический
СЧ20			170-241	3,4	1,8	0,8
СЧ25			180-250	3,3	1,8	0,8
СЧ30			181-255	3,1	1,1	0,8
СЧ35			197-219	2,9	1,0	0,9
СЧ40			207-285	2,6	2,7	0,3
Сч45				2,3	2,7	0,3

 

Механические свойства СЧ зависят от химического состава и с увеличением прочности и твердости снижаются.

Углерод и кремний являются графитизирующими элементами и оказывают решающее воздействие на структуру и свойства нелегированного чугуна. Кремний передвигает эвтектическую и эвтектоидную точки влево и вверх, т.е. в сторону уменьшения содержания углерода в твердых и жидких растворах, а также повышает температуру превращений.

Каждый процент кремния снижает содержание углерода в эвтектике примерно на 0,3%, поэтому можно принять

 

С_э = 4,26-0,3Si,

 

где С_э – содержание С в эвтектике; Si – содержание кремния в чугуне.

Степень эвтектичности чугуна определяется следующим образом

 

.

 

Её также можно оценить разностью содержания углерода в эвтектике и чугуне

 

.

 

Величину (С+0,3Si) называют углеродным эквивалентом.

При С+0,3Si=4,26, =0.

Чугун, для которого = 1 или = 0 называется эвтектическим.

Например, для чугунов марок от СЧ10 до СЧ45 степень эвтектичности снижается от 1,1 до 0,79, что несколько ухудшает литейные свойства.

Высокий уровень механических свойств у СЧ40 и СЧ45 достигается также меньшим содержанием (на порядок) вредных примесей – фосфора и серы по сравнению с другими СЧ.

Стандартом регламентируются только основные механические свойства – σ_в, σ_и, НВ. Именно по этим характеристикам определяется годность отливок.

Мягкий и малопрочный чугун можно получить только при ферритной матрице, а твердый чугун при перлитной матрице с дисперсным графитом.

С повышением марки чугуна возрастают прочностные свойства.

Прочностные свойства чугуна на сжатие значительно лучше, чем на ратяжение за счет графитовых включений.

Механические свойства чугуна определяются соотношением структурных составляющих – в основном феррита, перлита, графита и цементита. Включения графита снижают прочность чугуна за счет уменьшения эффективной площади сечения. Кроме того, они играют роль внутренних концентраторов напряжений. Коэффициент концентрации напряжений для ПГ К_пг = 7,0-7,5, а для ШГ – К_шг ≤ 3,5.

Возникновение высоких напряжений в локальных объемах около пластинчатого графита обусловливает появление микротрещин.

Но графитовые включения в структуре чугуна обеспечивают высокую циклическую вязкость и низкую чувствительность к надрезам.

С повышением степени эвтектичности S_э механические свойства снижаются за исключением циклической вязкости. Это обусловлено формированием малопрочной ферритной матрицы и образованием большого количества ПГ прямолинейной или игольчатой формы.

СЧПГ имеет очень низкую пластичность (δ, ψ,%).

Разрушение чугунных образцов при испытании на растяжении происходит практически без пластических деформаций (δ_ч = 0,5-1,0%, δ_ст = 20-40%). В связи с этим приближенная оценка пластичности определяется по величине стрелы прогиба (f₃₀₀ или f₆₀₀). Образцы диаметром 30 мм и длиной 300 или 600 мм.

С повышением марки чугуна стрела прогиба f₃₀₀ увеличивается от 2-2,5 до 3-3,5 мм.

 

Ψ – циклическая вязкость%; Е – модуль упругости ГПа; НВ – твердость; σ_в – прочность кгс/мм²; f₃₀₀ – стрела прогиба, мм; δ – относительное удлинение, %.

Рисунок 20 – Влияние степени эвтектичности на механические свойства СЧПГ

Наилучшим комплексом механических свойств обладают доэвтектические чугуны (СЧ20-СЧ35), которые наиболее широко применяются для изготовления сложных и ответственных отливок.

 

Таблица 5 – Механические свойства структурных составляющих СЧПГ

Структурная составляющая	σв кгс/мм2	НВ
Феррит (Si = 2%)
Перлит
Цементит
Феррит эвтектический	-

 

Наиболее прочной структурой составляющей является перлит. Увеличение феррита и появление структурно свободного цементита снижает прочностные свойства.

Для повышения прочности чугуна при кристаллизации необходимо обеспечить:

1 – уменьшение количества феррита, исключение выделения структурно свободного цементита, получение перлита с максимальной дисперсностью.

2 – уменьшение количества графита и размеров его включений.

3 – приближение формы графита к шаровидной, при которой ослабляется его надрезывающее влияние.

 

Рекомендуемые страницы: