Организационно-правовые формы автотранспортных предприятий

Такие же свойства чугуна, как сопротивление разрыву, а также изгибу, кручению, в основном обусловливаются количеством, формой и размерами графитных включений; в данном случае свойства чугуна сильно отличаются от свойств стали.

Сказанное относится главным образом к серому чугуну с пластинчатыми включениями графита. По мере скругления графитных включений указанное отрицательное влияние графитных включений уменьшается.

Округлые включения  шаровидного графита не создают  резкой концентрации напряжений, такие включения не являются «трещинами» и чугун с шаровидным графитом имеет значительно более высокую прочность при растяжении и изгибе, чем чугун с. пластинчатым графитом (отсюда и название чугуна с шаровидным графитом - высокопрочный чугун). Ковкий чугун с хлопьевидным графитом занимает промежуточное положение по прочности между обычным серым и высокопрочным чугуном с вермикулярным графитом между серым и ковким.

Таким образом, прочность  чугуна определяется строением металлической  основы и формой графитных включений.

Пластичность мало зависит от строения металлической основы. Твердость мало зависит от формы графита.

Как было отмечено, графитные  включения вредны. Однако рассмотрение односторонне и не всегда правильно. В некого условиях образование графитных включений может быть полезно.

В ряде случаев именно благодаря наличию графита чугун  имеет преимущества перед сталью: во-первых, наличие графита облегчает обрабатываемость резанием, делает стружку ломкой, стружка ломается, когда резец дойдет до графитного включения; чугун обладает хорошими антифрикционными свойствами благодаря смазывающему действию графита; в-третьих, наличие графитных выделений быстро гасит вибрации и резонансные колебания; в-четвертых, чугун почти нечувствителен к дефектам поверхности, надрезам и т.д.

Действительно, поскольку в чугуне имеется огромное количество графитных включений, играющих роль надрезов и пустот, то совершенно очевидно, что дополнительные дефекты на поверхности уже не могут иметь влияние, хотя бы в незначительной степени напоминающего то большое воздействие, которое оказывают эти дефекты поверхности на свойства чистой от неметаллических включений высокопрочной стали.

Следует также указать  лучшие литейные свойства по сравнению  со сталью. Более низкая температура плавления и окончание кристаллизации при постоянной температуре (образование эвтектики) обеспечивают не только удобство в работе, но и лучшие жидко-текучесть и заполняемость формы. Описанные преимущества чугуна делают его ценным конструкционным материалом, широко применяемым в деталях машин, главным образом тогда, когда они не испытывают значительных растягивающих и ударных нагрузок.

Примеси в чугуне

 

Обычный промышленный чугун - не двойной железоуглеродистый сплав - он содержит те примеси, что и углеродистая сталь, т. е. марганец, кремний, серу и фосфор, но в большем количестве, чем сталь. Эти примеси существенно влияют на условия графитизации . и, следовательно, на структуру и свойства чугуна.

Кремний особенно сильно влияет на структуру чугуна, усиливая графитизацию. Содержание кремния в чугунах колеблется в широких пределах: от 0,3-0,5 до 3-5 %. Изменяя содержание кремния, можно получить чугуны, совершенно различные по свойствам и структуре - от малокремнистого белого до высококремнистого ферритного (серого с пластинчатым или высокопрочного с шаровидным графитом).

Марганец в отличие от кремния препятствует графитизации или, как говорят, способствует отбеливанию чугуна.

Сера также способствует отбеливанию чугуна, но одновременно ухудшает литейные свойства (в частности, снижает жидкотекучесть), поэтому содержание серы в чугуне лимитируется: верхний предел для мелкого литья 0,08 %, для более крупного, когда можно допустить несколько худшую жидкотекучесть, до 0,1-0,12 % S.

Фосфор практически не влияет на процесс графитизации. Однако фосфор - полезная примесь в чугуне, так как он улучшает жидкотекучесть. Это объясняется образованием относительно легкоплавкой тройной эвтектики, плавящейся при 950 °С.

7. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

 

7.1. Общие положения термической  обработки

 

Термическая обработка – это тепловое воздействие на металл с целью изменения его свойств.

Цель любого процесса термической обработки состоит  в том, чтобы нагревом до определенной температуры и последующим охлаждением вызвать желаемое изменение строения металла.

Основные факторы воздействия при термической обработке - температура и время, поэтому режим любой термической обработки можно представить графиком в координатах t (температура) и t (время) (рис.7.1).

 

Рис.7.1. График (режим) термической  обработки

 

Режим термической обработки характеризуют следующие основные параметры: температура нагрева t_max, т.е. максимальная температура, до которой был нагрет сплав при термической обработке; время выдержки сплава при температуре нагрева t, скорость нарева V_нагр и скорость охлаждения V_охл.

Если нагрев (или охлаждение) происходит с постоянной скоростью, то в координатах температура - время  процесс характеризуется прямой линией с определенным, постоянным углом наклона.

При неравномерной скорости нагрева (или охлаждения) процесс  характеризуется кривой н истинная скорость должна быть отнесена к данной температуре, вернее к бесконечно малому изменению температуры и времени, т.е. является первой производной от температуры по времени.

Графически истинная скорость определяется тангенсом угла наклона касательной к кривой нагрева (охлаждения) при заданной температуре.

Термическая обработка  может быть сложной, состоящей из многочисленных нагревов, прерывистого или ступенчатого нагрева (охлаждения), охлаждения в область отрицательных температур и т. д. и такая термическая обработка может быть изображена в координатах температура-время.

Следовательно, графиком температура-время может быть охарактеризован любой процесс термической обработки.

 

 

7.2. Классификация видов термической  обработки

 

Изменение свойств сплава, которое создается в результате термической обработки, должно быть остаточным, иначе в термической обработке не было бы никакого смысла.

Для изменения свойств  сплава необходимо, чтобы в сплаве в результате термической обработки произошли остающиеся изменения, обусловленные в первую очередь фазовыми превращениями.

Все виды термической  обработки можно разделить на четыре основные группы.

Первая группа. Предшествующая обработка может привести металл в неустойчивое состояние. Так, холодная пластическая деформация создает наклеп - искажение кристаллической решетки. При затвердевании - не успевают протекать диффузионные процессы, и состав металла даже в объеме одного зерна оказывается неоднородным. Быстрое, охлаждение или неравномерное приложение напряжений делает неравномерным распределение упруг гой деформации. Неустойчивое состояние при комнатной температуре сохраняется долго, так как теплового движения атомов при комнатной температуре недостаточно для перехода в устойчивое состояние.

Нагрев (увеличение тепловой подвижности атомов) приводит к тому, что процессы, приводящие металл в устойчивое состояние (снятие напряжений, уменьшение искажений кристаллической решетки, рекристаллизация, диффузия), достигают заметных скоростей.

Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла, который в результате какой-то предшествующей обработки получил неустойчивое состояние, и приводящая его в более устойчивое состояние, называется отжигом.

Если в сплавах при  нагреве происходит фазовое превращение (аллотропическое превращение, растворение второй фазы и т. д.), то нагрев выше некоторой критической температуры вызывает изменение в строении сплава. При последующем охлаждении произойдет обратное превращение. Если охлаждение достаточно медленное, то превращение будет полное и фазовый состав будет соответствовать равновесному состоянию.

Существуют два вида отжига. Если сплав не имеет фазовых  превращений, то любой нагрев сплава с неравновесной структурой приводит сплав в более равновесное состояние. Такой отжиг называется отжигом первого рода. Если у сплава есть фазовое превращение, то нагрев сплава с неравновесной структурой (но не обусловленной закалкой) выше температуры фазовых превращений с последующим медленным охлаждением приводит сплав в более равновесное состояние. Такая обработка тоже относится к отжигу, но классифицируется как отжиг второго рода или фазовая перекристаллизация.

Вторая группа. Если в сплаве при нагреве происходят фазовые изменения, то полнота обратного (при охлаждении) превращения зависит от скорости охлаждения. Теоретически можно себе представить такие условия охлаждения, при которых обратное превращение вовсе не произойдет, и при комнатной температуре в результате быстрого охлаждения зафиксируется состояние сплава, характерное для высоких температур. Такая операция называется закалкой. Во многих случаях закалка не фиксирует совсем (или фиксирует не полностью) состояние сплава, устойчивое при высоких температурах. Поэтому предельный случай закалки, когда состояние сплава, характерное для высоких температур, фиксируется, называется истинной закалкой, в отличие от закалки в более широком смысле, когда фиксируется не состояние сплава при высокой температуре, а некоторая его стадия структурного превращения, при которой в сплаве не достигнуто еще равновесное состояние.

Закалка бывает объемной (под закалку нагревают насквозь все изделие) и поверхностной (осуществляют местный, чаще поверхностный) нагрев.

Между закалкой и отжигом  второго рода есть общее. И в том, и в другом случае сплав нагревается  выше температуры фазового превращения, и окончательное строение приобретает в .результате превращения при последующем охлаждении. Однако между обоими видами имеется и принципиальная разница. При отжиге второго рода цель охлаждения - приближение сплава к равновесному состоянию, поэтому\охлаждение проводят медленно. При закалке охлаждение быстрое, чтобы отдалить структурное состояние сплава от равновесного.

Третья группа. Состояние закаленного сплава характеризуется неустойчивостью. Даже без всякого температурного воздействия в сплаве могут происходить процессы, приближающие его к равновесному состоянию. Нагрев сплава, увеличивающий подвижность атомов, способствует этим превращениям. При повышении температуры закаленный сплав все больше приближается к равновесному состоянию. Такая обработка, т.е. нагрев закаленного сплава, но ниже температуры равновесных фазовых превращений, называется отпуском. И при отжиге первого рода, как и при отпуске, сплав приближается к структурному равновесию. В обоих случаях начальную стадию характеризует неустойчивое состояние, только для отжига первого рода оно было результатом предварительной обработки, при которой, однако, не было фазовых превращений, а для отпуска - предшествовавшей закалкой. Таким образом, отпуск - вторичная операция, осуществляемая всегда после закалки. Отпуск иногда называют старением. В одних случаях старением называют длительный низкотемпературный нагрев, объединяя при этом отжиг 1 рода и отпуск, в других - нагрев закаленной стали называют отпуском, а нагрев закаленных сплавов цветных металлов - старением. Сейчас рекомендуют такое разграничение отпуска и старения: отпуск - это нагрев закаленного сплава, имеющего фазовые превращения; старение - это нагрев закаленного сплава, не имеющего фазовых превращений. В этом случае закаленное состояние характеризуется пересыщением твердого раствора. Дадим краткое определение основных видов термической обработки.

Отжиг - термическая операция, состоящая в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествовавшей обработки, и приводящая металл в более устойчивое состояние.

Закалка - термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава.

Отпуск - термическая операция, состоящая в нагреве закаленного сплава ниже температуры превращения для получения более устойчивого структурного состояния сплава.

Кроме этих основных видов  термической обработки, имеются  еще два принципиально отличных способа, представляющих сочетание термической обработки с металлургией или механической технологией.

Способность металлов растворять различные элементы позволяет при  повышенных температурах атомам вещества, окружающего поверхность металла, диффундировать внутрь его, создавая поверхностный слой измененного состава. При этой обработке изменяется не только состав, но и структура поверхностных слоев, а иногда сердцевины. Такая обработка называется химико-термической обработкой (ХТО). К этому виду химико-термической обработки относится как бы обратный процесс - удаление элементов путем подбора соответствующих сред. Диффузионная подвижность неметаллов (С, N, О, Н, В) существенно отлична от подвижности металлов, поэтому химико-термическую обработку подразделяют на диффузионное насыщение неметаллами и металлами.

Обработка по этому виду одновременно принадлежит двум разделам технологии металла, так как при химико-термической обработке направленно изменяется и состав металла, и его структура.

В последнее время  применение получает обработка, в которой в едином технологическом процессе сочетаются деформация и структурные превращения. Такая обработка получила название деформационно-термическая. Очевидно, в данном случае имеем объединение механической технологии и термической обработки.

Существенное значение имеет и такой факт, когда осуществляется пластическая деформация до или после превращения. Для того, чтобы разделить эти процессы, деформационно-термическую обработку разделяют на термомеханическую обработку ТМО (деформация осуществляется до превращения) и механико-термическую обработку МТО (деформация осуществляется после превращения). Таким образом, к трем основным видам термической обработки (отжиг, закалка, отпуск) должны быть добавлены две сложные обработки:

химико-термическая  обработка - нагрев сплава в соответствующих химических реагентах для изменения состава и структуры поверхностных слоев: