книги / Основы металловедения и термообработки

(корпуса, лопатки, коленчатые валы, поршни и т.п.). Термическая обработка отливок включает закалку и отпуск (500-600 °С); для большей пластичности проводится отжиг, способствующий сферодизации перлита металлической основы.

Ковкие чугуны с хлопьевидными включениями графита по­ лучают отжигом доэвтектических белых чугунов (рис. 54, 55). Графит ковких чугунов называют углеродом отжига.

Отливки из белого чугуна, предназначенные для отжига на ковкий чугун, не должны быть толщиной более 50 мм, так как в отливках большего сечения в сердцевине при кристаллизации выделяется пластинчатый графит, что делает чугун непригод­ ным для отжига. По этой же причине исходные белые чугуны имеют пониженное содержание углерода и кремния: 2,4-2,9 % С; 1,0-1,6 % Si; 0,2-1,0 % Мп, до 0,2 % S и до 0,18 % Р.

Как было показано ранее (рис. 55), отжиг белого чугуна может быть проведен по одному из двух режимов, дающих ков­ кий чугун с ферритной или с перлитной металлической основой. Ферритные чугуны имеют более высокую пластичность, а пер­

литные - более высокую прочность. В маркировке ковких чугу­

нов указывается прочность (ав, кг/мм2) и относительное удли­ нение (6, %), например КЧЗЗ-8 (табл. 8).

Т а б л и ц а 8

Механические свойства и химический состав (%) ковких чугунов

изготовления горелок, фурм, колосниковых решеток, коробов для отжига, работающих при температурах до 900 °С.

Кремнистые чугуны изготовляют с пластинчатым и шаровид­ ным графитом. Детали из этих чугунов работают без повышенного окалинообразования и роста при температурах 800-900 °С. Из них отливают детали арматуры мартеновских печей, детали котлов, реторты, детали газовых турбин.

Алюминиевые чугуны обладают большой окалиностойкостью и сопротивлением к окислению. Их изготовляют с пла­ стинчатым и шаровидным графитом. Эти чугуны могут быть легированы кремнием, никелем, хромом и медью для повыше­ ния окалино- и износостойкости. Алюминиевые чугуны обла­ дают высокой эксплуатационной стойкостью в среде печных газов при температуре 1100-1150 °С, в среде перегретых паров серы и серистых газов при температуре 1000 °С. Их применяют для шлаковых фурм доменных печей, плавильных тиглей, для футеровки камер сгорания.

Коррозионно-стойкие чугуны легируют хромом, никелем, медью, молибденом и кремнием. Эти чугуны стойки в щелочах, растворах соды, морской воде. Чугуны СЧЩ-1 и СЧЩ-2 приме­ няют при изготовлении котлов для плавки каустика. Чугуны ЧНХТ, ЧН1ХМД, ЧНШ ш применяют в двигателестроении для отливки поршневых колец, направляющих втулок, головок ци­ линдров, выпускных патрубков, поршней и гильз паровых ма­ шин, судовых дизелей, газокомпрессоров и других деталей.

Высококремнистые чугуны (ферросилиды) применяют для поршневых насосов (цилиндры, поршни, клапаны, седла), для обо­ рудования по производству концентрированных серной и азотной кислот (лопатки мешалок, фитинги, втулки, реакционные аппара­ ты, трубопроводы). Высокохромистые сплавы обладают коррози­ онной стойкостью в азотной, серной, уксусной, фосфорной кисло­ тах, в растворах солей, щелочей и морской воде. Их этих чугунов

изготовляют детали насосов, реторты, конденсаторы, вентили, тру­ бы, мешалки для химической промышленности.

Жаропрочные чугуны легируют хромом и никелем, они мо­ гут иметь пластинчатую или шаровидную формы графита; метал­ лическая основа чаще бывает аустенитной. Чугуны ЧН19ХЗШ, ЧН11Г7Х2Ш применяют в нефтяной и химической промышлен­ ности, в газотурбиностроении для изготовления деталей компрес­ соров по сжижению газов, выпускных патрубков дизелей.

Немагнитные коррозионно-стойкие аустенитные чугуны, аустенитная основа которых сохраняется при положительной

иотрицательной температурах, получают легированием высо­ копрочных и серых чугунов никелем в количествах более 12 % или марганцем в количествах более 9 %. Форма графита этих чугунов может быть пластинчатая и шаровидная. Кроме никеля

имарганца аустенитные чугуны легируют хромом, медью, мо­ либденом. Для снижения стоимости чугуна никель частично за­ меняют марганцем. Аустенитные слабомагнитные чугуны при­ меняют в электротехнической промышленности и приборо­ строении. Как жаростойкие, коррозионно- и износостойкие чугуны применяют в химическом машиностроении, двигателестроении (седла клапанов, выпускные патрубки, гильзы цилин­ дров, втулки направляющие), в турбостроении, для деталей на­ сосов, перекачивающих щелочи, кислоты, морскую воду, для деталей, работающих при тепловых ударах.

8. КОНСТРУКЦИОННЫЕ

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Конструкционные легированные стали предназначены для изготовления деталей машин, инженерных конструкций, прибо­ ров и т.п., работающих при статических, циклических и удар­ ных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Они должны быть технологичны в про­ изводстве, применение их должно быть экономически целесо­ образно, и главное - они должны обеспечивать конструкцион­ ную прочность.

8.1. Критерии

конструкционной прочности стали

При назначении материала для изготовления конкретного изделия необходима сравнительная оценка конструкционной прочности ряда материалов (сталей) с целью выбрать наиболее подходящие для данных эксплуатационных условий.

Конструкционная прочность - комплексная характеристи­ ка материалов, включающая сочетание критериев прочности, надежности и долговечности.

Критерии прочности стали выбирают в зависимости от ус­ ловий работы детали:

- при статических нагрузках критериями прочности мож­ но считать предел прочности - а в и предел текучести - ст0>2

(ав « НВ/3 - для приближенной оценки);

- для материала деталей машин, испытывающих длитель­ ные циклические нагрузки, предел усталостной прочности -

о.) « ав/2;

- в ракетной и авиационной технике учитывают удельную прочность материала - о/y (у- удельный вес).

Надежность - свойство металла противостоять внезапно­ му хрупкому разрушению при напряжениях ниже расчетных.

Хрупкое разрушение менее вероятно для материалов с дос­ таточной пластичностью (vp, 5) и ударной вязкостью (KCU).

Как отмечалось в подразд. 3.1, на атомном уровне разруше­ ние твердого тела представляет собой разрыв межатомных свя­ зей с образованием новых поверхностей. Этот разрыв может происходить сколом или отрывом перпендикулярно поверхно­ сти разрушения. Если разрыв связей происходит под действием силы, направленной параллельно плоскости разрушения, то происходит разрушение сдвигом или скольжением, сопровож­ дающееся пластической деформацией. В зависимости от степе­ ни пластической деформации перед разрушением различают два основных вида разрушения: хрупкое и вязкое.

Характерными признаками хрупкого и вязкого разрушения являются энергоемкость, т.е. величина работы разрушения, вид поверхности излома и скорость распространения трещины.

При хрупком разрушении затрачивается значительно мень­ шая работа на процесс самого разрушения, чем при вязком. На­ чавшееся хрупкое разрушение развивается самопроизвольно за счет высвобождения накопленной в системе упругой энергии, и поэтому для распространения трещины не требуется подвод энергии извне.

Для развития вязкого разрушения необходим непрерывный внешний подвод энергии, расходуемый на пластическое дефор­ мирование металла впереди растущей трещины и преодоление возникающего при этом упрочнения. Работа, затраченная на пластическую деформацию, значительно превышает работу соб­ ственно разрушения.

Микроизлом при хрупком разрушении имеет блестящую гладкую поверхность. Плоские грани расколотых кристалличе­ ских зерен придают металлический блеск хрупкому излому. Из­ лом при вязком разрушении имеет матовый волокнистый харак­ тер без металлического блеска, как следствие значительной пла­ стической деформации поверхности излома, предшествующей разрыву сплошности.

Для хрупкого разрушения характерна высокая скорость распространения трещины, достигающая приблизительно 0,4 ско­ рости распространения звука в металле (около 2-103 м/с). Ско­ рость распространения вязкой трещины значительно ниже и определяется скоростью нарастания напряжений.

Опасность хрупкого разрушения детали возрастает с по­ вышением прочности материала. Кроме того, в реальных усло­ виях работы весьма опасны концентраторы напряжений, дина­ мические нагрузки, низкие температуры, увеличение размеров деталей (масштабный фактор)

Хрупкое разрушение связывают с быстрым самопроиз­ вольным распространением дефекта, например трещины, при достижении критического напряжения в зоне дефекта, когда его длина становится критической, /кр.

В связи с этим, оценивая склонность материала к хрупкому разрушению, определяют так называемую трещиностойкость.

Концентрация напряжений в вершине трещины тем больше, чем длиннее трещина и острее ее вершина. В пластичных мате­ риалах трещины менее опасны, так как местная пластическая де­ формация в вершине трещины затупляет ее и, снижая (релаксируя) локальные напряжения, выравнивает их значение по всему сечению. В малопластичных материалах этого не происходит, и при повышении нагрузки локальные напряжения в вершине тре­ щины нарастают, вызывая разрыв межатомных связей и рост тре­ щины. После достижения некоторой критической величины тре­ щины наступает самопроизвольный лавинообразный ее рост, вы­ зывающий хрупкое разрушение.

Непременным условием испытаний образцов для опреде­ ления критерия К,о является сохранение плоской деформации, т.е. недопустимость значительной макропластической деформа­ ции в вершине трещины. Это условие выполняется, если разру­ шающее напряжение меньше предела текучести испытываемого

металла, т.е. а ср £ 0,8 о0,2.

Для оценки надежности материала кроме количественного

критерия К1с используют качественные критерии - ударную вязкость KCV и КСТ и критическую температуру хрупкости

(температурный порог хладно-ломкости) - рис. 85.

При сравнительной оценке высокопрочных сталей по их склонности к хрупкому разрушению более представительным считается их сравнение по величине КСТ, так как она в большей мере, чем величина KCV, характеризует работу развития тре­ щины, т.е. способность материала тормозить начавшееся разру­ шение.

Критическую температуру хрупкости стали и сравнитель­ ную оценку сталей по температурному запасу вязкости опреде­ ляют сериальными испытаниями образцов на ударную вязкость

(KCU, KCV или КСТ) в интервале температур - рис. 85. Из представленной на рис. 85 в качестве примера температур­ ной зависимости KCU конструкционной стали (0,22 % С) следу­ ет, что по сравнению с крупнозернистой структурой мелкозер­ нистая структура стали обеспечивает большую надежность вработе при температуре эксплуатации t3, так как возможное понижение температуры не вызовет в ней хрупкого разрушения.

Долговечность - свойство материала сопротивляться раз­ витию постепенного разрушения, обеспечивая работоспособ­ ность деталей в течение заданного времени (ресурса). Для большинства деталей машин долговечность связана с со­ противлением материала усталостным разрушениям (цикличе­ ская долговечность) или с сопротивлением изнашиванию (из­ носостойкость).

KCU, МДж/м2

1,0

0,8

0,4

0

-80 -40 0 20 U°С

Рис. 8S. Зависимость ударной вязкости от температуры испытания стали (0,22 % С):

М- мелкозернистая; К - крупнозернистая; I - температурный запас вязкости

Циклическая долговечность материала определяется испы­ таниями образцов на усталостное разрушение на специальных машинах, создающих многократное нагружение (растяжение - сжатие, знакопеременные изгиб или кручение). Образцы испы­ тывают на разных уровнях напряжений, определяя число циклов до разрушения (N). На кривых усталости (рис. 86) горизонталь­ ный участок определяет физический предел выносливости а,

(при симметричном цикле обозначается а_0, т.е. напряжение, которое не вызывает усталостного разрушения после заданного (базового Ne) числа циклов (для стали N6= 107, для цветных ме­ таллов Ne = 108). Наклонный участок кривой усталости характе­ ризует ограниченный предел выносливости а*, напряжение, вы­ держиваемое материалом в течение JV* циклов.