Коэффициенты теплового расширения, объемные изменения при фазовых превращениях и плотность чугуна при повышенных температурах и в жидком состоянии

Как и подавляющее большинство других тел природы, чугун расширяется при нагревании, что связано с увеличением атомной энергии и с ангармоничным движением атомов. Соответствующие коэффициенты линейного (а) и объемного (а = 3а) расширения возрастают с повышением температуры и с переходом металла в аустенитное состояние, например:

Поэтому, приводя значения а, необходимо указывать и соответствующий интервал температур. Рассматривая приведенные выше данные, можно отметить более интенсивный рост коэффициента расширения в области выше магнитного превращения цементита (200—250° С) и при переходе в аустенитную область (720—750° С).

Значение коэффициента теплового расширения чугуна определяется его влиянием не только на изменение размеров в зависимости от температуры, но и на величину напряжений, образующихся в отливках. Уменьшение величины а является полезным с этой точки зрения и облегчает условия получения здоровых отливок. С другой стороны, в случае сочетания работы чугуна с цветными сплавами или с другими материалами (стеклом), имеющими большие коэффициенты теплового расширения, приходится стремиться к увеличению значения а и для чугуна.

Коэффициент расширения (a0100*10в6 в 1/град) зависит от состава чугуна, но еще больше от его структуры, причем отдельные структурные составляющие чугуна характеризуются в этом отношении следующими данными:

Коэффициент расширения реальных неоднородных структур может быть определен по правилу смешения. Так, для перлита можно определить

При этом примеси, образующие твердые растворы, оказывают на коэффициент расширения значительно меньшее влияние, чем на другие физические свойства. Как показывают исследования, наибольшее понижающее влияние на коэффициент расширения оказывает углерод, в особенности в связанном состоянии (рис. 257). Это объясняется не только тем, что цементит обладает меньшим значением а, чем графит, но также и тем, что одному проценту углерода соответствует примерно в 5 раз больше цементита, чем графита. По этой причине при графитизации чугуна коэффициент расширения повышается и ферритному чугуну соответствует большее значение а, чем перлитному. Поэтому же графитизирующие элементы повышают, а антиграфитизирующие уменьшают коэффициент расширения. Непосредственное же влияние элементов при образовании твердых растворов или соединений с железом обычно невелико и проявляется в большинстве случаев в понижении значения а; исключение составляют только алюминий, медь и в некоторых пределах — хром.

Рассматривая с этой точки зрения рис. 257, можно прийти к заключению, что повышение значения а при увеличении содержания кремния до 1,5—2,0% объясняется графитизирующим действием элемента. Понижение же значения а при большем содержании кремния является следствием непосредственного влияния кремния, образующего твердый раствор с ферритом. Остальные, обычно встречающиеся в чугуне, элементы (Mn, P и S) не оказывают заметного влияния на коэффициент расширения. Из специальных элементов медь и особенно алюминий повышают, а никель (в пределах ферритной структуры) понижает значение а. Подобно никелю действует молибден, хром же в пределах до 0,5%, а по другим данным — даже до 20% сначала повышает, а потом снижает значение а. Что касается формы графита, то она не оказывает заметного влияния на коэффициент расширения.

Как было указано, переход к аустенитной структуре отличается значительным повышением коэффициента расширения. Поэтому при достаточно высоком содержании Ni, Cu, Mn значение а резко увеличивается. Однако при увеличении содержания никеля свыше 20% коэффициент расширения понижается и достигает минимума, как видно из рис. 258, при 34—36% Ni. Такой чугун называется мониваром и имеет состав: С = 2,4%, Si = 1/2%, Mn < 0,5%, Cr < 0,1%, S < 0,12%, P < 0,2%, Ni = 34/36%. Следует только учесть, что значение а этого чугуна заметно возрастает с повышением температуры. Таким образом, значения коэффициентов расширения (a0100*10в6 в 1/град) для чугунов разных типов колеблются в больших пределах:

Наибольшим коэффициентом теплового расширения, как видно из этих данных, отличаются чугуны аустенитные, а также ферритные алюминиевые чугуны тина чугаль или пирофераль (28—32% Al). В последнем случае величина коэффициента расширения достигает значения a0 950° = (22—23)*10в-6 1/град. Эти коэффициенты повышаются еще с увеличением температуры, например чугун типа силал с шаровидным графитом характеризуется в этом отношении следующими данными:

Однако в большинстве случаев в чугунах с большими значениями коэффициента расширения, в частности в аустенитных чугунах, повышение этих значений с увеличением температуры происходит заметно медленнее, чем в обычном сером чугуне.

При температуре ниже нуля значение а уменьшается, например, для серого чугуна а16-191 = 8,5*10в-6 1/град.

В процессе нагрева чугуна кроме чисто теплового расширения происходят еще объемные изменения при фазовых превращениях, которые необходимо учитывать в расчетах образующихся напряжений, усадочных пороков и изменения плотности в зависимости от температуры. Так, например, уменьшение объема при а—у-превращении может быть принято в 0,8% для феррита и соответственно меньше для перлита; при плавлении же происходит увеличение объема, оцениваемое для чистого железа примерно в 3%. Однако в чугуне одновременно с этим происходят еще процессы выделения или растворения углерода, в частности графита, идущие с заметным объемным эффектом, что значительно усложняет расчеты.

На рис. 259 представлены результаты такого расчета для системы Fe—С—Si, из которого видно, что удельный объем металла увеличивается с повышением содержания углерода и температуры, причем особенно интенсивно в интервале кристаллизации. После расплавления же увеличение объема при повышении температуры, а также содержания углерода в чугуне, происходит медленнее (по некоторым данным, 1% С уменьшает плотность чугуна в твердом состоянии на 2,2—3,9%, а в жидком — на 1%).

Коэффициент объемного расширения чугуна в жидком состоянии обычно оценивается в (100/220)*10в-6 1/град. Исходя из данных, приведенных на рис. 259, можно видеть, что коэффициент этот принят в расчетах в размере (95—115)*10в-6. Удельный объем жидкого чугуна колеблется по этим данным в пределах 0,14—0,15 см3/г, а плотность — в пределах 7,0—6,7 г/см3. Однако следует отметить, что по вопросу о плотности в жидком состоянии, ввиду методических затруднений, существуют большие разногласия и экспериментальные данные колеблются в пределах 6,6—7,2 г/см3. Более высокие из указанных значений получены методом погружения в жидкий чугун образцов стали и чугуна разной плотности. Известно, что твердый чугун в этих условиях часто плавает, а не тонет, что говорит против низких значений плотности (6,6—6,8 г/см3), которые приписываются часто жидкому чугуну, хотя некоторую роль при этом несомненно играет и поверхностное натяжение, препятствующее погружению твердого металла. Все же элементарный расчет показывает, что серый чугун с плотностью 7,2 г/см3 при линейной усадке в 1 % (объемной — 3%) и при расширении в процессе плавления в 1% должен иметь после расплавления плотность ~7,2*0,98 = 7 г/см3.