Влияние температуры на механические свойства чугуна

21.10.2019

Общая закономерность влияния повышенных температур на механические свойства чугуна заключается в уменьшении показателей прочности, твердости и упругости с одновременным повышением до определенного предела пластичности и вязкости, после которого и эти свойства начинают понижаться. Сопоставляя механические свойства разных чугунов при кратковременных испытаниях, можно видеть (рис. 245), что прочность чугуна характеризуется минимумом при 150—250° С, но при 350—450° С уже мало отличается от прочности при нормальной температуре и только после этого начинает монотонно и интенсивно понижаться. Однако в высокопрочном чугуне эта аномалия (хотя и отмечена на рис. 245) обнаруживается реже. Причина образования указанного минимума окончательно еще не определена; предполагается, что это является следствием напряжений второго рода, образующихся из-за разницы в коэффициенте расширения цементита и феррита в перлите, магнитных превращений карбидов, выделения газов, дисперсионного твердения и других факторов. Вo всяком случае можно полагать, что частое отсутствие этого минимума на высокопрочном чугуне свидетельствует о том, что газам в этом вопросе принадлежит не последняя роль.

Весьма интенсивно и притом монотонно падает во всех чугунах модуль упругости, что для области температур до 700°С может быть, примерно, выражено формулой

где E и Et — модуль упругости при нормальной н повышенной (t) температурах (°C);

а и в — коэффициенты, значение которых для высокопрочного чугуна составляют соответственно 0,0068*10в-2 и 0,0044*10в-4.

Вместе с тем, циклическая вязкость чугуна вовсе не изменяется при повышении температуры, что опровергает утверждения о строгой и однозначной связи между этим свойством и модулем упругости и свидетельствует о существовании более сложной зависимости.

Характер кривой изменения пластичности чугуна с температурой представляется сначала (до 400—500° С) почти горизонтальной, часто даже слегка ниспадающей кривой, за которой следует резкий подъем (рис. 245), достигающий максимума в области 800—1000° С, после чего наступает столь же резкое падение при более высоких температурах. Таким образом, вблизи эвтектической температуры все чугуны, как и другие сплавы, отличаются очень низкими значениями прочности, упругости и пластичности. Примерно так же изменяется и ударная вязкость чугуна, хотя соответствующая кривая зависимости от температуры носит более сложный характер в связи с разным изменением прочности и пластичности.

Особый интерес представляет горячая твердость, простота определения которой дает возможность оценить и соответствующую прочность чугуна, поскольку характер влияния температуры в обоих случаях приблизительно одинаков. Интенсивное падение твердости, которое начинается примерно с 430° С, может быть выражено формулой

где В — коэффициент смягчения, колеблющийся для температур выше перегиба в пределах (30/36)*10в-4 (меньшее значение соответствует серому чугуну, большее — ковкому и высокопрочному).

Влияние химического состава чугуна на его свойства при повышенных температурах в большинстве случаев примерно такое же, как при нормальной температуре. Уменьшение эвтектичности повышает кратковременную и длительную прочность серого чугуна, что обусловлено уменьшением количества и размельчением графита. Еще благотворнее сказывается компактная и шаровидная формы графита в ковком и высокопрочном чугунах (табл. 32) и примерно в том же соотношении, что и при нормальной температуре. При этом легирующие элементы так же или еще более полезны, чем при нормальной температуре. Наиболее эффективным из них является молибден, который повышает не только кратковременную и длительную прочность, как это видно из рис. 246, но и сопротивление ползучести чугуна. Максимум этого влияния проявляется при 1,5—2,0% Mo; как и при действии других элементов и факторов, оно уменьшается по мере повышения температуры, так что длительная прочность чугуна при 650° С уже мало зависит от легирования. Подобно молибдену благоприятно действуют, хотя и с меньшей интенсивностью, хром и никель, в частности путем присадки природно-легированного халиловского чугуна, как показано в табл. 33.

Влияние хрома особенно благоприятно в области высоких температур еще и по той причине, что он стабилизирует структуру.
Влияние температуры на механические свойства чугуна

При высоком же содержании графитизирующих элементов, в частности кремния, можно опасаться понижения прочности вследствие распада перлита. Однако медь в количестве около 0,5% в этих случаях весьма полезна, особенно в высокопрочном чугуне. При этом можно вновь отметить общую закономерность: чем выше температура, тем в меньшей степени влияет состав металла. Подтверждением этого, например, в отношении ковкого чугуна может служить рис. 247, из которого видно, что преимущества низкого содержания углерода проявляются только при температурах до 425°С. Однако легирование никелем, хромом, медью и молибденом, как видно из табл. 33 и других работ, например, все же сохраняет в ряде случаев свои преимущества в области повышенных температур, но главным образом при длительных испытаниях; при кратковременных же испытаниях это проявляется в малой степени.

Указанное справедливо также для ползучести, которая проявляется на чугуне, начиная с 350—400° С. В этом случае высокопрочный чугун, особенно перлитный, имеет явные преимущества перед серым чугуном, хотя легирование может иногда и изменить это соотношение. И действительно, как видно из рис. 248, серый чугун, легированный молибденом и хромом, характеризуется при малых скоростях ползучести большим сопротивлением, чем нелегированный чугун с шаровидным графитом. Однако это не всегда наблюдается, и при больших скоростях ползучести высокопрочный чугун, даже ферритный, отличается более высокими свойствами, которые могут быть еще улучшены путем легирования и перлитизации структуры (рис. 248). Самыми же высокими свойствами в этом отношении характеризуются аустенитные никелевые чугуны (рис. 249) с пластинчатым и особенно с шаровидным графитом, несмотря на то, что при нормальной температуре они уступают по прочности обычным перлитным чугунам. Некоторые из этих чугунов, как видно из рис. 250, по кратковременной и длительной прочности весьма близки к аустенитной стали 1Х18Н9, хотя по сопротивлению ползучести они ей в значительной мере уступают. Проект ГОСТа на жаропрочный чугун, разработанный ЦНИИТмашем (табл. 34), предусматривает поэтому только аустенитные чугуны с шаровидным графитом, которые должны удовлетворять определенным требованиям по механическим свойствам при нормальной и повышенной температурах.

Скорость ползучести чугунов, приведенных в табл. 34, при 600° С за время 400—1200 ч при напряжении 4 кГ/мм2 составляет 1,0*10в-4, длительная прочность при 600° С составляет одл1400 = 12 кГ/мм4, а для марки ЧН19МШ эта прочность соответствует даже 2800 ч. Таким высоким свойствам аустенитных чугунов при повышенных температурах, несомненно, благоприятствует не только их химический состав, но и стабильность структуры.

Поэтому в указанных условиях также эффективны, хотя и в меньшей степени, чугуны со стабильным ферритом, например кремнистый чугун, ЖЧС-5,5 или превосходящий его по свойствам ЖЧСШ-5,5 с шаровидным графитом.

В общем же следует указать, что чугун вследствие высокого содержания углерода, даже при самых благоприятных структуре и составе, не отличается высокими жаропрочными свойствами и применим только в условиях сравнительно низких температур, обычно не выше 350—450° С.


В ряде случаев в условиях повышенных температур удовлетворительно работают также отливки из белого чугуна, чаще всего легированного хромом. На рис. 251 представлена для сравнения с аустенитными и перлитными чугунами горячая прочность белого высоколегированного чугуна типа хромэкс с содержанием 28—34% Cr (Х28Л и Х34Л по ГОСТу 2176—57). Чугуны Х28Л и Х34Л, как и перлитные, характеризуются более интенсивным падением прочности с ростом температуры, чем аустенитные чугуны. Пластичность этих чугунов, очень низкая при нормальной температуре, растет начиная с 400° С и достигает максимума (-100%) при температурах около 900— 1050° С, когда происходит превращение феррита в аустенит. Ударная вязкость также растет с повышением температуры и также достигает максимума в аустенитном состоянии, как это видно на рис. 251, а. Механические свойства высокохромистых чугунов в сильной степени зависят от химического состава и режима термообработки. Что касается состава, то наиболее важными элементами являются углерод и кремний: первый, как видно из рис. 251, б, повышает, а второй понижает прочность при высоких температурах, на пластические же свойства оба элемента действуют отрицательно.

Еще большее влияние на механические свойства этих чугунов оказывает термическая обработка, посредством которой можно получить аустенитную (1150° С воздух), мартенситную (1000 C —> воздух) или ферритиую (1000°С —> охлаждение в печи) структуры, а следовательно, и соответствующее изменение механических свойств. Кроме того, при термической обработке этих чугунов возможно также дисперсионное твердение (при 400—550° С) и образование о-фазы при 650—800° С, что отражается, конечно, на механических свойствах (табл. 35), причем в этом случае главным образом понижаются пластичность и вязкость чугуна.

Общая закономерность изменения механических свойств при пониженных температурах заключается в некотором повышении прочности и твердости и уменьшении пластичности и вязкости, но эти изменения значительно зависят от типа и структуры чугуна. В обычном сером (перлитном) чугуне они сравнительно невелики и в среднем составляют:

Как видно из этих данных, прочность перлитных чугунов повышается в небольшой степени при понижении температуры.

Ферритные же чугуны упрочняются в большей степени и меньше теряют свои пластические свойства, как это видно, например, из испытаний серого чугуна при -269° С:

Все свойства серого чугуна, в том числе и ударная вязкость, монотонно изменяются с понижением температуры без какого-либо скачка. Это объясняется, по-видимому, тем, что чугун при этих температурах находится уже в области ниже порога хрупкости. Преимущества ферритной структуры сохраняются также и у высокопрочного чугуна, о чем свидетельствуют следующие данные:

В то время как высокопрочный чугун с перлитной структурой значительно теряет в прочности при очень низких температурах, ферритный чугун теряет при этом только в пластичности, прочность же его значительно увеличивается.

Еще большие преимущества имеют аустенитные чугуны. Упрочнение происходит в этом случае более интенсивно, а ударная вязкость мало изменяется или даже повышается до температуры превращения и только потом уже резко падает. Так, например, для аустенитного чугуна с пластинчатым графитом и с температурой превращения -88° С найдено:

Примерно так же изменяются механические свойства ковкого и высокопрочного чугунов, только ударная вязкость их более резко падает при переходе через порог хрупкости, твердость же их при этом мало изменяется:

Особый интерес представляет изыскание чугунов с повышенной прочностью и достаточной пластичностью при очень низких температурах (-200° С или -269°, т. е. при температурах жидкого азота и гелия). Очевидно, что такой хладновязкий чугун должен быть высоконикелевым сплавом с аустенитной структурой, характеризующейся низко расположенным порогом хрупкости. Исследования показали, что такими свойствами обладает аустенитный чугун (2,44% С; 2,25% Si; 3,92 Mn; 22,0% Ni; 0,25% Cr и 0,12% Mg), характеризующийся следующими свойствами при низких температурах после нормализации с 900°С:

Особенно важно отметить, что ударная вязкость чугуна сохраняется высокой: даже после выдержки при -196° С в течение 2550 ч она была в пределах 4,2—4,8 кГ*м/см2 по Шарли, что свидетельствует о том, что даже при температуре -196° С чугун не перешел в хрупкое состояние. Весьма высокие свойства подобного рода показал также аустенитный высоконикелевый чугун (2% С; 1,8% Si; 0,5% Mn; 0,02% Р; 0,02% S; 30% Ni) с пластинчатым и шаровидным графитом при температуре -269° С:

В заключение следует отметить, что прочность аустенитных чугунов, как и ферритных, резко повышается при очень низких температурах, пластичность также сохраняется сравнительно высокой, так что эти чугуны в наибольшей степени пригодны для работы в указанных условиях.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна