Основы теории сплавов

1.Чугун с пластинчатым графитом.

     Чугун с  пластинчатым графитом (ЧПГ) является основным литейным сплавом в машиностроении. Главной особенностью микроструктуры ЧПГ, определяющей физико-механические и служебные свойства, является наличие пластинчатого графита. Пластинчатый графит нарушает сплошность металлической основы, поэтому ЧПГ имеет сравнительно невысокие значения временного сопротивления разрыву и очень низкую пластичность. Однако именно благодаря пластинчатому графиту в сером чугуне (СЧ) уникально сочетаются хорошие антифрикционные свойства, высокая износостойкость, малая чувствительность к концентраторам напряжений. ЧПГ имеет высокую демпфирующую способность и прекрасно гасит вибрации.

     СЧ – технологичный материал, обладает хорошей жидкотекучестью, малой склонностью к образованию усадочных дефектов по сравнению с чугуном других типов.

     Из него можно изготовлять отливки самой сложной конфигурации с толщиной стенок от 2 до 500 мм.

     В основу стандартизации СЧ заложены принципы регламентации минимально допустимого значения временного сопротивления разрыву при растяжении.

     Марки, механические свойства и химический состав СЧ по ГОСТ 1412–85, ИСО 185

     Отечественные марки чугуна с пластинчатым графитом 
и их зарубежные аналоги

Таблица 1

Россия ГОСТ 1412-85	СЧ 10	СЧ 15	СЧ 18	СЧ 20	СЧ 21	СЧ 24	СЧ 25	-	СЧ 30	СЧ 35
ИСО 185	100	150	-	200	-	-	250	-	300	350
Великобритания BS 1452	100	150	180	200	220	-	250	-	300	350
Германия DIN 1691	GG-10	GG-15	-	GG-20	-	-	GG25	-	GG-30	GG-35
США ASTM A 48	20B	25B	-	30B	-	-	35B	40B	45B	50B
Япония JIS G 5501	FC 100	FC 150	-	FC 200	-	-	FC 250	-	FC 300	FC 350

     По ГОСТ 1412–85 марка ЧПГ определяется показателем временного сопротивления чугуна при растяжении. Условное обозначение марки включает буквы СЧ – серый чугун и цифровое обозначение величины минимального временного сопротивления при растяжении в МПа х 10^-1:СЧ 20 ГОСТ 1412–85.

     Механические свойства ЧПГ обеспечиваются в литом состоянии или после термической обработки.

     Поскольку значения прочности чугуна данной марки в отливке зависят от скорости охлаждения, определяемой толщиной стенки (диаметром) отливки, в стандартах приводятся минимальные значения s_в в отдельно отлитых пробных заготовках других диаметров или сечений из СЧ каждой марки.

     Классификация серого литейного чугуна по международному стандарту ИСО 185 включает шесть классов, устанавливаемых на основании результатов механических испытаний на растяжение образцов, вырезанных из различных литейных проб. Характерным показателем, определяющим марку чугуна, является временное сопротивление при растяжении s_в образцов из отдельно отлитых цилиндрических проб диаметром 30 мм.

     Для отливок массой более 200 кг испытания могут быть также произведены на приливных пробах.

     В ИСО 185 для руководства при проектировании конструкций и изделий исключительно в качестве информации, приведены данные по ожидаемым механическим свойствам при растяжении для материала отливок. Однако по согласованию между Изготовителем и Заказчиком значения s_в могут быть сделаны обязательными. По ИСО 185 буквенные обозначения не применяют в марках чугунов.

     В случаях, когда наиболее существенной характеристикой является твердость чугуна.

Таблица 2

 

     Классы твердости чугуна с пластинчатым графитом по ИСО 185

Класс твердости	Пределы изменения твердости  НВ	Класс твердости	Пределы изменения твердости  НВ
Н 145	170 max	Н 215	190–240
Н 175	150-200	Н 235	210–260
Н 195	170-220	Н225	230–280

 

    По стандарту Германии DIN 1691 в заказе на отливки должно быть однозначно указано: является ли характерным свойством временное сопротивление при растяжении или твердость по Бринелю. В зависимости от этого маркировка чугунов обозначается по разному. Например:

чугун DIN 1691 – GG – 25 или Чугун DIN 1691 – GG – 210HB

     Данные о временном сопротивлении при растяжении являются гарантированными в отливках.

     Связь между толщиной стенки (2,5 – 80 мм) и твердостью отливки из различных марок СЧ представлена в DIN 1691 в регламентируемом виде, что позволяет правильно и точно устанавливать твердость для заданного интервала толщин стенок отливок.

     В приложении к стандарту DIN 1691 представлены зависимости временного сопротивления при растяжении от твердости и толщины стенки отливки.

     В стандарте Великобритании BS 1452 представлено семь марок ЧПГ. Соотношение между прочностью ЧПГ и сечением отливок представляют на диаграммах.

     Стандарт США ASTM A 48 включает девять марок чугуна. Условное обозначение марки включает цифровое обозначение и букву “В”. Число определяет временное сопротивление разрыву (фунтах/кв. дюйм), например:

20В ASTM A 48.

     Стандарт Японии JIS G 5501 включает шесть марок ЧПГ. Условное обозначение марки включает буквы FC и цифровое обозначение величины минимального временного сопротивления при растяжении в МПа х 10^-1, например: FC 25 JIS G 5501.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Чугун с шаровидным графитом.

    Чугун с шаровидным графитом (ЧШГ) является перспективным конструкционным материалом для изготовления ответственных деталей.

ЧШГ обладает комплексом физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств, что выгодно отличает его  от других конструкционных материалов: от стали – лучшей износостойкостью и антифрикционностью, более высокой коррозионной стойкостью и лучшей обрабатываемостью резанием; от чугуна с пластинчатым графитом (ЧПГ) – большей прочностью и пластичностью.

     Благодаря высокой жидкотекучести, ЧШГ может быть использован для производства сложных по конфигурации деталей, получение которых ковкой и штамповкой затруднено, а иногда просто невозможно. Меньшая плотность ЧПГ (на 8 – 10 %) позволяет снизить массу деталей по сравнению с массой деталей из стали. Замена ЧПГ на ЧШГ позволяет уменьшить в 1,5 – 2,0 раза толщины отливок и , тем самым, снизить массу деталей машин при одновременном повышении их надежности. Детали из ЧШГ можно подвергать всем видам упрочняющей термической обработки, применяющейся для стали с таким же, а иногда и большим успехом.

     Особенностью ЧШГ как конструкционного материала является высокое отношение условного предела текучести d_0,2 к временному сопротивлению при растяжении d_В составляющее 0,6 – 0,7 (у стали 0,5 – 0,6), что важно для уменьшения расхода материалов и снижения массы машин, так как конструкции рассчитывают на прочность, как правило, по условному пределу текучести.

     Циклическая вязкость или демпфирующая способность материала гасить возникающие при работе механизмов вибрации у ЧШГ хотя и ниже, чем у ЧПГ, но значительно выше, чем у стали. Эта характеристика у перлито-ферритного ЧШГ при напряжениях 50 – 100 МПа составляет 4 – 6 %, в то время как у стали – 0,3 – 0,6 %.

     По известному показателю временного сопротивления разрыву при растяжении, приведенным эмпирическим зависимостям и данным табл. 29 можно определить пределы выносливости при растяжении и кручении различных чугунов.

ЧШГ d_-1 = (0,58 – 0,0002d_В) d_В,

КЧ d_-1 = (0,48 – 0,0002d_В) d_В,

ЧПГ d_-1 = (0,52 – 0,0003d_В) d_В.

     Данные зависимости были получены на образцах диаметром 7,5 мм, изготовленных из заготовок диаметром или толщиной до 30 мм.Соотношение механических свойств чугунов с различной формой графита

 

 

 

 

 

 

Таблица 3

 

Тип чугуна	d p-1/d -1	d p-1/d В	t -1/d -1	t -1/d В
ЧПГ	0.60-0.70	0.28-0.34	0.75-0.85	0.34-0.42
КЧ	0.55-0.65	0.22-0.28	0.80-0.90	0.32-0.38
ЧШГ	0.65-0.75	0.28-0.34	0.70-0.80	0.30-0.36

     ЧШГ обладает высокой прочностью при сжатии d_сж/d_В » 3, это обстоятельство связано с тем, что графит не влияет на сопротивление сжатию столь отрицательно, как на растяжение.

     Регламентация требований стандартов на ЧШГ практически везде одинакова. Кроме того, существует международный стандарт ИСО 1083, регламентирующий классификацию литейных чугунов с шаровидным графитом в соответствии с механическими свойствами материала.

     По ГОСТ 7293–85 марка ЧШГ определяется показателями временного сопротивления разрыву d_В и условного предела текучести d_0,2. Условное обозначение марки включает буквы ВЧ – высокопрочный чугун и числовое минимальное значение d_В в МПА* 10^-1: ВЧ 50 ГОСТ 7293–85.

     Механические свойства ЧШГ обеспечиваются в литом состоянии или после термической обработки. Показатели относительно удлинения, твердости и ударной вязкости определяют только при наличии требований в нормативно-технической документации, и они должны соответствовать требованиям ГОСТа.

     В стандарте США ASTM А536 первое и второе числа в марке чугуна определяют временное сопротивление разрыву; первое – в (фунтах/кв.дюйм) 10³, а второе – округленная величина этого показателя в МПА* 10^-1; третье число – минимальное значение относительного удлинения в процентах: 60-42-10.

     В стандарте Германии DIN 1693 марка чугуна, например GGG-60 обозначает следующее: G – литой, G – чугун, G – шаровидный, 60 – минимальное значение временного сопротивления разрыву в МПа* 10^-1.

     В стандарте Великобритании BS 2789 буквенные обозначения не применяют.

В стандарте Франции NFA 32–201 буквы FGS обозначают: F – литье, G – графит и S – шаровидный.

      В стандартах Франции и Великобритании указывается относительное удлинение в %. Если испытания на растяжение выполняются не на отдельных, а на приливных образцах, отливаемых совместно с отливкой, указанное обозначение дополняется буквой “А”. Если к отливкам предъявляются требования по ударной вязкости при низкой температуре, указанные обозначения дополняются буквой “L”, сопровождаемой числом, соответствующим температуре испытания, Символы “L” и “А” могут сочетаться, например: FGS 350 – 22AL40.

     Стандарт Японии JIS включает семь марок ЧШГ: FCD370 и FCD400 – ферритные, FCD450 и FCD500–ферритно-перлитные, FCD600, FCD700 и FCD800 – перлитные чугуны.

     В международном стандарте ИСО 1083 буквенные обозначения не применяют. Стандарт содержит механические свойства, измеренные на образцах для испытаний, полученных из отдельно отлитых проб и отлитых вместе с отливкой.

     В марке чугуна может присутствовать буква “А”, свидетельствующая о том, что свойства были получены при испытании отлитых заодно с заготовкой образцов, буква “L”, если к отливке предъявляются требования по ударной вязкости. Символы “L” и “А” могут сочетаться, например, 400–18AL.

     В большинстве национальных стандартов на высокопрочные чугуны, регламентирующих механические свойства, химический состав чугунов не оговаривается, В стандартах всех стран, кроме России, Германии и США, приводятся контрольные пределы величин твердости.

Остальные параметры чугунов, в том числе микроструктура, могут  контролироваться по требованию заказчика. Количество графита преимущественно  шаровидной формы, оговариваемое в  большинстве национальных стандартов, колеблется в широких пределах от 70 % (Япония) до 90 % (США ASTM A395). В стандарте ASTM А395 приведена единственная марка ферритного ЧШГ с контролем химического состава по основным элементам и твердости.

     Оценка формы графита в большинстве национальных стандартов, в том числе и ИСО 945, производится по эталонам, которые не дают количественных значений. Только в стандарте Японии JIS G 5502 приведена методика расчета степени сфероидизации (в %) графита по формуле:

где n₁ – количество графитовых включений, соответствующих различным формам графита (от пластинчатой до шаровидной, всего 5 форм, рис. 1), определяемых на шлифе или фотографии и сравниваемых по фигурам, приведенным в стандарте.