Monday, Jun 18th

Last update08:30:58 AM GMT

GPS инженерам металлы и сплавы Чугун, свойства чугуна

Чугун, свойства чугуна

( 14 Votes )

Общие свойства чугуна

Основными составляющими чугуна являются железо и углероды. Свойства чугуна определяются структурой основной металлической массы, формой, количеством и расположением графитных включений. В равновесном состоянии структура железоуглеродистых сплавов определяется диаграммой. При изменении состава меняется:
эвтектическая температура (0С).Т = 1135+5Si - 35P - 2Mn + 4Cr;
концентрация углерода в эвтектике (%) C = 4.3 - 0.3 (Si + P) - 0.04Ni - 0.07Cr;
эвтектоидная температура T. = 723 + 20 Si + 8Cr - 30Ni - 10 Cu - 20 Mn ;
концентрация углерода в эвтектоиде C = 0.8 - 0.15Si - 0.8Ni - 0.05 (Cr + Mn).

Положение критических точек определено при нагреве; при охлаждении точки располагаются ниже. С достаточной точностью для нелегированного чугуна большинства марок применимы упрощенные формулы:
концентрация углерода в эвтектике C = 4.3 - 0.3 (Si + P);
концентрация углерода в эвтектоиде C = 0.8 - 0.15Si.

Влияние элементов на структуру приведено в таблице 1. Коэффициенты, характеризирующие относительное графитизирующие действие, могут быть использованны только при содержаниях углерода (≈ 3%) и кремния (≈2 %).

Физические и механические свойства чугуна

Главнейшие физические и механические свойства структурных составляющих чугуна приведены в таблице 2, а типичные физические свойства чугуна - таблице 3. Приведенный в таблице 3 удельный вес может значительно изменяться в зависимости от количества связанного углерода и наличия пор. Удельный вес жидкого чугуна при температуре его плавления равен 7,0 ± 0,1 Г/см2; он понижается при увеличении содержания обычных примесей. Приведенный в таблице 3 обратимый коэффициент линейного расширения зависит от структуры чугуна.

Необратимое увеличение объема (рост) резко увеличивается при переходе через температуру фазовых превращений и доходит до 30%, но обычно не превосходит 3% при нагреве до 500оС. Увеличению роста благоприятствует графитообразующие элементы, а препятствуют - карбидообразующие элементы и нанесение на поверхность чугуна покрытый (гальванических, методом металлизации, эмалирования).

Тепловые свойства

Теплоемкость чугуна заданной структуры можно определить по правилу смешения, пользуясь данными таблице 2. Теплоемкость чугуна при температурах, превышающих фазовые превращения и до температуры плавления, может быть принята равной 0,18 кал /Го С, а превышающих температуру плавления - равной 0,23 ± 0,03 кал/Го С. Тепловой эффект при затвердевании равен 55 ± 5 кал/Г, а при перлитном превращении зависит от содержания перлита и доходит до 21,5 ± 1,5 кал/Г при эвтектоидной концентрации 0,8% Ссв:

Объемная теплоемкость, равная произведению удельной теплоемкости на удельный вес (кал/см3*оС), может быть принята для укрупненных расчетов: для твердого чугуна около 1 кал/см3*оС, а для жидкого - около 1,5 кал/см3*оС.

Теплопроводность не может быть определена по правилу смешения; приведенная в таблице 2 теплопроводность структурных составляющих по мере увеличения степени их дисперсности уменьшается. Типичная величина теплопроводности чугуна приведена в табл. 3. Влияние состава на теплопроводность сказывается главным образом через изменение степени графитизации. Теплопроводность ?-железа уменьшается при увеличении растворенных в нем примесей.

Теплопроводность жидкого чугуна равна ≈ кал/см*сек*оС.

Температуропроводность может быть принята при укрупненных расчетах для твердого чугуна числено равной его теплопроводности, а для жидкого чугуна равной 0,03 см2/сек.

Гидродинамические свойства

Динамическая вязкость приведена в таблице 4. Вязкость уменьшается при увеличении содержания марганца, а также при уменьшении содержания серы и неметаллических включений в зависимости от температурных условий, вязкость уменьшается приблизительно пропорционально отношению абсолютной температуры опыта к абсолютной температуре начала затвердевания. При переходе температуры начала затвердевания вязкость резко увеличивается.

Поверхностное натяжение для укрупненных расчетов может быть принято по таблице 3. Оно увеличивается с понижением содержания углерода и резко изменяется при наличии неметаллических включений.

Электрические свойства. При оценке электропроводности (электросопротивления) может быть использован закон Н.С. Курнакова. Ориентировочные значения электросопротивления структурных составляющих приведены в таблице 2, типового чугуна - в таблице 3. По ослабевающему действию на измельчение электросопротивления твердого раствора элементы могут быть расположены в ряд: кремний, марганец, хром, никель, кобальт.

Механические свойства

Статистические свойства. Предел прочности при растяжении чугуна может быть качественно оценен по его структуре в соответствии с данными, приведенными в таблице 2. Прочность структурных составляющих увеличивается по мере увеличения степени их дисперсности. Форма, количество, величина и распределение графитных включений оказывают на предел прочности большее влиянии, чем структура основной металлической массы. Наиболее заметное снижение прочности наблюдается при расположении графитных включений в виде цепочки, прерывающей сплошность металлической массы. Наибольшая прочность достигается при сфероидальной форме графита. Она достигается в чугуне без тепловой обработки при прибавлении в определенных магниях и церия. В таблице 5 приведены соотношения прочностных показателей чугуна. С повышением температуры испытания предел прочности остается практически постоянным до 400о С (в интервале 100-200о С имеет место снижения прочности, не превышающее 10-15%). При нагреве выше 400о С наблюдается непрерывное падение предел прочности.

Пластические свойства зависят от структуры основной металлической массы (в соответствии с данными таблице 2), но еще в значительно большей степени - от формы графитных включений. При сфероидальной форме последних удлинении может достигать 30%. В обычном сером чугуне оно редко превышает десятые доли процента; в отожженном сером чугуне (ферритная структура) удлинение достигает ~ 1,5%

Упругие свойства зависят в основном от формы графита; они не изменяются при тепловой обработке чугуна, если при этом не изменилась форма графитных включений. При испытаниях на изгиб упругие деформации составляют 50-80% от общей деформации.

Ползучесть чугуна следует отличать от явлений роста. В нелегированном чугуне при нагреве до температуры свыше 550о С остаточные деформации, связанные с явлением роста, превышают деформации, допустимые при оценке ползучести. При скорости ползучести 1 · 10 - 5 % в час за 1000ч нагрузка около 3 кГ/мм2 выдерживается нелегированным серым чугуном при температуре около 400о С, а легированным чугуном при температуре до 500о С. Увеличение сопротивления ползучести достигается у чугуна с аустенитной структурой и у чугуна с присадкой молибдена или с увеличенным содержанием никеля и хрома.

Модуль упругости чугуна из-за наличия графитных включений имеет только относительное значение, поэтому правильнее считать его условной величиной. Модуль упругости чугуна не зависит от структуры основной металлической массы и определяется количеством и формой графитных включений: он падает с увеличением количества графитных включений и с отдалением их формы от глобулярной.

Динамические свойства. Ударная вязкость недостаточно верно отражает динамические свойства чугуна. Ударная вязкость увеличивается при увеличении содержания феррита и при уменьшении содержания графита, а также при приближении формы графитных включений к шаровидной. Для ориентировочных расчетов могут быть приняты следующие значения ан надрезанных образцов сечением 1,0 см2: и выраженные в долях от предела прочности, приведены в таблице 5. При асимметричном цикле нагружений предел выносливости проходит через максимум при увеличении сжимающих напряжений. Предел выносливости увеличивается при увеличении предела прочности и частоты нагружений.

Технологические свойства

Жидкотекучесть зависит от свойств металла и формы: она может быть определена разными методами. Чаще всего, жидкотекучесть, определяемая длиной L заполненной пробы, увеличивается при уменьшении вязкости, увеличении перегрева (при этом большое влияние жидкотекучесть оказывает перегрев выше температуры начала затвердевания), уменьшении интервала затвердевания (наибольшая жидкотекучесть наблюдается при эвтектическом составе) и зависит от скрытой теплоты плавления q и теплоемкости с, отнесенных к единице объема.

Химические свойства

Сопротивление коррозии зависит от структуры чугуна и от внешней среды (ее состав, температура, а также ее движения). По убывающему электродному потенциалу структурные составляющие чугуна могут быть расположены в такой последовательности: графит (наиболее стойкий) - цементит, фосфидная эвтектика - феррит. Разность потенциалов между ферритом и графитом составляет 0,56 в. Сопротивление коррозии уменьшается по мере увеличения степени дисперсности структурных составляющих. Однако чрезмерное уменьшение степени дисперсности графита также снижает сопротивление коррозии. Легирующие элементы влияют на сопротивление чугуна коррозии в соответствии с их влиянием на структуру. Повышенное сопротивление коррозии наблюдается у чугунных отливок с сохранившейся литейной коркой. Скорость коррозии по отношению к разным средам приведена в таблицах 7, 8 и 9.

Таблица 1. Ориентировочное влияние элементов на структуру чугуна.

Элементы

Содержание в %

Влияние

Относительное графитизирующее действие

На основную металлическую массу

На графит

При затвердевании

В твердом состоянии

Кремний

до 3,0

Уменьшение содержания перлита

Увеличение количества и укрупнение

+1,0

+1,0

Углерод

более 1,7

Уменьшение содержания перлита

Увеличение количества и укрупнение

+ 1,0

от +0,2 до +0,5

Марганец

более 0,8
более 1,0

Размельчение перлита
Образование сернистого марганца

Слабое размельчение
То же, но уменьшение количества

-0,2

от -0,2 до 0,5

Фосфор

до 1,0

Образование сернистого марганца

То же, но уменьшение количества

- 0,2

от -0,2 до 0,5

Сера

до 0,2

Образование сульфидов

Уменьшение количества

-2,0

от -2 до -4

Никель

до 1,5

Размельчение перлита

Увеличение количества и слабое размельчение

+0,4

от +4 до -0,2

Хром

до 1,0

Размельчение перлита

Уменьшение количества и слабое размельчение

-1,2

от-1,2 до -3,0

Медь

до 1,0

Не влияет

Не установлено

+0,3

от 0,3 до -0,2

Молибден

до 0,5

Размельчение перлита. Образование игольчатой структуры

Уменьшение количества. Значительное размельчение

-0,5

от -0,5 до -1,5

Ванадий

до 0,5

Размельчение перлита

Уменьшение количества. Значительное размельчение

-2,0

от -2 до -3

Алюминий

до 0,5

Уменьшение содержания перлита

Увеличение количества и укрупнение

+3,0

+10

Церий и магний

-

-

Сфероидинизация

-

-

 Таблица 2. Физические и механические свойства структурных, составляющих нелегированного чугуна

Структурная составляющая

Удельный вес Г/см3

Коэффициент теплового линейного расширения a*10 - в 1/оС при температурах 20-100оС

Теплоемкость в кал/Г*oС при температуре в оС

Теплопроводность в кал/см*сек оС

Электросопротивление в мк * ом 9 см

Предел прочности при растяжении σ в в кГ/мм2

Удлинение σ в %

Твердость НВ

100

200

400

600

900

Аустенит

-

17-24

0,12

-

-

-

-

0,1

-

-

50±10

-

Феррит

7,9

12-12,5

0,11

0,12

0,13

0,13

0,17

10

40±10

40±10

40±10

85±35

Перлит

7,8

10-11

-

-

-

-

-

0,12

20

100±30

-

-

Цементит

7,7

6-8,5

0,15

0,15

0,15

0,16

0,19

0,017

140

4±1

0

600±100

Графит

2,2-2,3

7,5-8

0,2

0,22

0,27

0,31

0,36

0,036

150

0

0

3±2

Таблица 3. Типичные физические свойства чугуна

Тип чугуна

Белый

Серый

Ковкий

Примечание, с повышением температуры: "+" - повышается; "-" - понижается

Удельный вес Г/см3

7,5±0,2

7,1±0,2

7,3±0,1

-

Коэффициент теплового линейного расширения a·10 1/оС, при температурах 20-100 оС

8±2

10±2

11±1

+

Действительная усадка в %

1,8±0,2

1,1±0,2

-

+

Теплопроводность в кал/см·сек оС

0,08±0,2

0,10±0,02

0,13±0,02

-

Динамическая вязкость при температуре ликвидус дин·сек/см2

0,08

0,04

-

-

Поверхностное натяжение в дин/см2

900±100

900±100

-

+

Электросопротивление в Мк · ои · см

70±20

80±40

50±20

+

Теплоемкость в кал/Г · оС

0,13±0,02

0,12±0,02

0,12±0,02

+

Коэрцитивная сила в э

13±2

10±1

1,5±0,5

-

Остаточный магнетизм в гс

5000±1000

5000±1000

5000±1000

-

Таблица 4. Коэффициенты вязкости чугуна

Температура в оС

Коэффициент вязкости в ( дин · сек/см2) чугуна с содержанием углерода в %

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

Чугун застывает белым

1250

-

-

-

-

-

0,029

0,021

1300

-

-

-

-

0,028

0,024

0,018

1350

-

-

0,029

0,026

0,024

0,02

0,016

1400

0,026

0,025

0,024

0,023

0,02

0,02

0,016

Чугун застывает серым

1280

-

0,043

0,041

0,04

0,039

0,037

0,035

1300

0,043

0,042

0,041

0,04

0,038

0,037

0,035

1350

0,04

0,04

0,039

0,038

0,037

0,036

0,035

1400

0,038

0,038

0,037

0,036

0,035

0,034

0,035

Таблица 1. Ориентировочное влияние элементов на структуру чугуна.

Элементы

Содержание в %

Влияние

Относительное графитизирующее действие

На основную металлическую массу

На графит

При затвердевании

В твердом состоянии

Кремний

до 3,0

Уменьшение содержания перлита

Увеличение количества и укрупнение

+1,0

+1,0

Углерод

более 1,7

Уменьшение содержания перлита

Увеличение количества и укрупнение

+ 1,0

от +0,2 до +0,5

Марганец

более 0,8
более 1,0

Размельчение перлита
Образование сернистого марганца

Слабое размельчение
То же, но уменьшение количества

-0,2

от -0,2 до 0,5

Фосфор

до 1,0

Образование сернистого марганца

То же, но уменьшение количества

- 0,2

от -0,2 до 0,5

Сера

до 0,2

Образование сульфидов

Уменьшение количества

-2,0

от -2 до -4

Никель

до 1,5

Размельчение перлита

Увеличение количества и слабое размельчение

+0,4

от +4 до -0,2

Хром

до 1,0

Размельчение перлита

Уменьшение количества и слабое размельчение

-1,2

от-1,2 до -3,0

Медь

до 1,0

Не влияет

Не установлено

+0,3

от 0,3 до -0,2

Молибден

до 0,5

Размельчение перлита. Образование игольчатой структуры

Уменьшение количества. Значительное размельчение

-0,5

от -0,5 до -1,5

Ванадий

до 0,5

Размельчение перлита

Уменьшение количества. Значительное размельчение

-2,0

от -2 до -3

Алюминий

до 0,5

Уменьшение содержания перлита

Увеличение количества и укрупнение

+3,0

+10

Церий и магний

-

-

Сфероидинизация

-

-

Таблица 7. Сравнительные данные по скорости коррозии чугуна и стали в растворах солей и щелочей.

Воздействующая среда

Концентрация раствора в %

Потери в весе Г/м2 день

Нержавеющий чугун

Обыкновенный серый чугун

Мягкая сталь

Нержавеющая сталь

Аммоний хлористый

5

1,53

23,33

11,39

0,03

Аммоний хлористый при 93оС

5

2,83

97,23

55,39

1,19

Аммоний хлористый

10

3,85

21,41

10,9

0

Аммоний хлористый при 93оС

10

2,83

104,6

49,74

1,12

Аммоний сернокислый

5

3,5

13,85

4,92

0,02

Аммоний сернокислый

10

2,16

15,13

4,99

0,03

Аммоний сернокислый

25

0,37

5,74

1,5

0,01

Алюминий сернокислый

5

8,17

17,35

72,23

0

Бензин

-

0

0

0,04

0,4

Медь сернокислая

0,5

21,25

55,51

32,28

0

Медь сернокислая

10

25,7

226

496,7

0

Кальций хлористый

5

2,75

4,77

3,54

0,01

Известь хлорная концентрированная

-

0,39

3,12

4,3

0

Кальций хлористый и магний хлористый 5%-ный

-

2,31

2,44

2,57

0,02

Известковая вода

-

0,11

1,52

0,99

0

Магний хлористый

5

3,37

5,31

3,29

0,01

Керосин

-

0,25

0,26

0,42

0,04

Квасцы калийные

0,5

0,09

3,17

2,75

0,02

Квасцы калийные

10

5,27

15,72

14,35

0,04

Сода кальцинированная

5

0

10

0

0

Сода кальцинированная

10

0

0

0,02

0

Натрий хлористый

5

2,94

3,01

2,9

0,02

Натрий хлористый при 93оС

-

1,43

2,27

2,57

0

Натрий хлористый

10

1,93

2,98

2,36

0,01

То же при 93оС

-

0,99

2,04

3,25

0,25

Натрий хлористый

20

1,76

1,74

1,69

0,01

То же при 93оС

-

0,64

0,01

1,67

0,28

Натрий фосфорнокислый

5

0,03

0,2

0,09

0

Таблица 8. Сравнительные данные по скорости коррозии и стали в кислотах

Воздействующая среда

Концентрация раствора в %

Потери в весе Г/м2 день

Нержавеющий чугун

Обыкновенный серый чугун

Мягкая сталь

Нержавеющая сталь

Уксусная кислота

5

18,35

311,5

51,76

0,02

Уксусная кислота

10

10,72

441,5

61,34

0,01

Уксусная кислота

25

11,65

394,2

74,03

0,04

Уксусная кислота

50

39,85

320,6

76,5

0,01

Уксусная кислота

75

37,73

238,8

47,64

0

Уксусная кислота концентрированная

-

10,7

40,78

89,54

0

Карболовая кислота

5

4,08

4,78

3,08

0,04

Лимонная кислота

5

46,29

296,6

199,3

0,01

Соляная кислота

5

6,05

535,3

331,9

1,42

Соляная кислота

10

4,66

611,5

787,4

3,4

Соляная кислота

25

8,07

609,1

1108

8,81

Соляная кислота

50

23,03

618,6

1482

28,34

Соляная кислота

75

61,49

610,6

1275

372,9

Соляная кислота концентрированная

-

190,9

557,3

650

563,9

Азотная кислота

5

425,7

515,8

704,9

0,05

Азотная кислота.

10

1217

1515

1303

0

Азотная кислота

25

528,8

572

3306

0

Азотная кислота

50

531,6

379,8

Образец разрушился

0

Азотная кислота

75

451,5

347,4

20,26

0

Азотная кислота концентрированная

-

383,6

338,1

12,36

0

Сернистая кислота

(60%СО2)

131,84

557,2

511,1

0

Серная кислота

5

3,06

614,5

917

0

Серная кислота

10

3,23

702

1474

0,6

Серная кислота

25

0,56

675,6

1179

42

Серная кислота

50

0,75

5,28

7,89

103,8

Серная кислота концентрированная

75

11,9

1,11

1,27

0,17

Таблица 9. Сравнительные данные по скорости чугуна и стали в воде.

Воздействующая среда

Потери в весе Г/м2 день

Нержавеющий чугун

Обыкновенный серый чугун

Мягкая сталь

Нержавеющая сталь

Дистиллированная вода

0,33

5,51

6,15

0

Водопроводная вода

1,17

7,48

10,49

0

Водопроводная вода при 93оС

0,57

3,35

3,65

0,03

Водопроводная вода, насыщенная СO2

0,88

13,67

4,18

0,01

Водопроводная вода, с 0,1% сернокислого алюминия

0,9

2,29

2,37

0

Водопроводная вода, с 0,1% медного купороса

18,04

13,05

15,93

0

Водопроводная вода, 0,07% хлористого кальция

1,09

3,97

5,29

0

Водопроводная вода, 0,1% калийных квасцов

0,66

2,14

2,48

0,03

Водопроводная вода, с 0,1% фосфорного натрия

0,1

0,17

0,61

0,02

Водопроводная вода, с 0,7% кальцинированной соды

0,78

3,81

3,18

0,01

Водопроводная вода, при 93оС

0,59

1,51

2,1

0,04

Речная вода

1,29

5,5

3,93

0,01

Речная вода, при 93оС

0,92

3,29

3,14

0,01

Морская вода

2,46

3,5

4,14

0

Морская вода, при 93оС

0,12

1,79

2,15

0,02