Химический состав, механические, физические и технологические характеристики металлов и сплавов

Химический состав влияет на механические, физические и техноло­гические свойства металлов и сплавов. На свойства сталей в первую очередь оказывает влияние процент содержания в них углерода. Для производства автомобильных деталей применяют, как правило, мало- и среднеуглеродистые качественные и высококачественные стали, содер­жащие до 0,5 % углерода. При изготовлении пружин и рессор применя­ют высокоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,70 %. Кроме того, высокоуглеродистые стали широко используются в автостроении и авторемонтном производстве при изготовлении режущего инстру­мента.

С повышением содержания углерода в стали увеличивается ее временное сопротивление и предел текучести, твердость в нормализован­ном и отпущенном состоянии и уменьшаются относительное удлинение и ударная вязкость. Кроме того, с увеличением содержания углерода в стали снижается ее свариваемость и возрастает твердость после закалки и отпуска. Практически закалке подвергают углеродистые стали с содер­жанием углерода от 0,40 % и выше (некоторые легированные стали при­нимают закалку при меньшем процентном содержании углерода). Мало­углеродистые стали (углеродистые и легированные) с содержанием угле­рода до 0,30 % и ниже с целью придания им высокой поверхностной твердости при сохранении вязкой и прочной сердцевины часто подвер­гают химико-термической обработке с последующей закалкой и низко­температурным отпуском.

На свойства чугунов в первую очередь оказывает влияние форма графитизированного в них углерода (содержание последнего в автомо­бильных деталях обычно колеблется в пределах 2,2-3,8 %). Наилучшей прочностью и пластичностью обладают ковкие чугуны с округлыми (глобулярными) включениями графита, близки к ним по структуре и свойствам высокопрочные чугуны, модифицированные магнием; затем идут модифицированные чугуны, получаемые с использованием других модификаторов; худшими качествами обладают серые чугуны с пластин­чатым графитом.

Механические и другие характеристики сталей и чугунов могут быть значительно повышены за счет введения в их состав легирующих компо­нентов.

Механические характеристики металлов и сплавов определяются экспериментально на образцах при различных видах их нагружения.

Обычно испытания образцов проводят на растяжение, изгиб, ударную вязкость, усталостную выносливость и поверхностную твердость. Чугу­ны испытывают также на сжатие. Существуют и другие виды испытаний, однако для конструкционных автомобильных материалов они исполь­зуются редко.

К основным физическим характеристикам металлов и сплавов следует отнести плотность (по системе СИ кг/м³), коэффициент линей­ного расширения 10⁶ мм/(мм ·°С), температуру плавления в градусах Цельсия (или К) и температурные точки фазовых превращений аустенита в перлит (Ar₁) и феррит (Аr₃) и перлита (Ас₁) и феррита (Ас₃) в аустенит. Указанные физические характеристики в значительной степени определяют рациональные температурные режимы плавки, ковки и термической обработки металлов и сплавов, их технологические свойства.

Под технологическими характеристиками обычно понимают спо­собность металлов и сплавов подвергаться тем или иным технологиче­ским операциям с целью получения изделий с необходимыми свойства­ми. К технологическим характеристикам относят жидкотекучесть, де­формируемость, прокаливаемость, свариваемость, обрабатываемость резанием и др. Применительно к авторемонтным и автотранспортным предприятиям наибольшее практическое значение имеют такие техно­логические характеристики металлов и сплавов, как свариваемость и механическая обрабатываемость.

Механическую обрабатываемость металлов и сплавов обычно оцени­вают по износу режущей части инструмента, выполненного из быстро­режущей стали Р18 или твердого титанокобальтового сплава Т5К10. За эталон при этом чаще всего принимают нормализованную качест­венную углеродистую сталь 45 (НВ 170-180). Существуют и другие методы оценки механической обрабатываемости металлов, в частности по силе резания. В этом случае полученные результаты обычно сравни­вают со значением силы резания, возникающей при обработке стали А12.

Свариваемость определяет способность металлов и сплавов получать при оптимальной технологии прочный и износостойкий шов или наплав­ленный металл без существенного снижения эксплуатационных качеств восстановленной или изготовленной детали или сварного узла. Обычно свариваемость оценивается терминами "хорошая" (без ограничений), "вполне удовлетворительная", "удовлетворительная", "ограниченная" (затрудненная), "весьма затрудненная" и др. Указанные термины уста­навливаются согласно накопленному производственному опыту и по ре­зультатам лабораторных исследований.

2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЧУГУНЫ

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 Fe_α(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 С_св в виде графита в процессе распада цементита при вторичной кристал­лизации чугуна:

Fe₃C → Fe + С_св

Форма графитных включений во многом определяет механи­ческие свойства графитизированных чугунов и зависит от условий кристаллизации.

Графитизированные чугуны классифицируют по двум крите­риям: по форме включений графита и структуре металлической основы чугуна.

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 С_св в общем содержании углерода С_общ называют степенью графитизации. Структура металлической основы чугуна определяется содержанием в ней связанного угле­рода С_связ.

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.

Дата добавления: 2014-01-07