Конструкционные материалы, используемые в электроэнергетике (стр. 4 из 5)
Таблица 2. Физические и механические свойства структурных, составляющих нелегированного чугуна
| Структурная составляющая | Удельный вес Г/см3 | Коэффициент теплового линейного расширения a*10 - в 1/оС при температурах 20-100оС | Теплоемкость в кал/Г*oС при температуре в оС | Теплопроводность в кал/см*сек оС | Электросопротивление в мк * ом 9 см | Предел прочности при растяжении σ в в кГ/мм2 | Удлинение σ в % | Твердость НВ | ||||
| 100 | 200 | 400 | 600 | 900 | ||||||||
| Аустенит | - | 17-24 | 0,12 | - | - | - | - | 0,1 | - | - | 50±10 | - |
| Феррит | 7,9 | 12-12,5 | 0,11 | 0,12 | 0,13 | 0,13 | 0,17 | 10 | 40±10 | 40±10 | 40±10 | 85±35 |
| Перлит | 7,8 | 10-11 | - | - | - | - | - | 0,12 | 20 | 100±30 | - | - |
| Цементит | 7,7 | 6-8,5 | 0,15 | 0,15 | 0,15 | 0,16 | 0,19 | 0,017 | 140 | 4±1 | 0 | 600±100 |
| Графит | 2,2-2,3 | 7,5-8 | 0,2 | 0,22 | 0,27 | 0,31 | 0,36 | 0,036 | 150 | 0 | 0 | 3±2 |
Пластические свойства зависят от структуры основной металлической массы , но еще в значительно большей степени - от формы графитных включений. При сфероидальной форме последних удлинении может достигать 30%. В обычном сером чугуне оно редко превышает десятые доли процента; в отожженном сером чугуне (ферритная структура) удлинение достигает ~ 1,5%
Упругие свойства зависят в основном от формы графита; они не изменяются при тепловой обработке чугуна, если при этом не изменилась форма графитных включений. При испытаниях на изгиб упругие деформации составляют 50-80% от общей деформации.
Ползучесть чугуна следует отличать от явлений роста. В нелегированном чугуне при нагреве до температуры свыше 550о С остаточные деформации, связанные с явлением роста, превышают деформации, допустимые при оценке ползучести. При скорости ползучести 1 · 10 - 5 % в час за 1000ч нагрузка около 3 кГ/мм2 выдерживается нелегированным серым чугуном при температуре около 400о С, а легированным чугуном при температуре до 500о С. Увеличение сопротивления ползучести достигается у чугуна с аустенитной структурой и у чугуна с присадкой молибдена или с увеличенным содержанием никеля и хрома.
Модуль упругости чугуна из-за наличия графитных включений имеет только относительное значение, поэтому правильнее считать его условной величиной. Модуль упругости чугуна не зависит от структуры основной металлической массы и определяется количеством и формой графитных включений: он падает с увеличением количества графитных включений и с отдалением их формы от глобулярной.
Динамические свойства. Ударная вязкость недостаточно верно отражает динамические свойства чугуна. Ударная вязкость увеличивается при увеличении содержания феррита и при уменьшении содержания графита, а также при приближении формы графитных включений к шаровидной. Для ориентировочных расчетов могут быть приняты следующие значения ан надрезанных образцов сечением 1,0 см2: и выраженные в долях от предела прочности. При асимметричном цикле нагружений предел выносливости проходит через максимум при увеличении сжимающих напряжений. Предел выносливости увеличивается при увеличении предела прочности и частоты нагружений.
3.6.Технологические свойства
Жидкотекучесть зависит от свойств металла и формы: она может быть определена разными методами. Чаще всего, жидкотекучесть, определяемая длиной L заполненной пробы, увеличивается при уменьшении вязкости, увеличении перегрева (при этом большое влияние жидкотекучесть оказывает перегрев выше температуры начала затвердевания), уменьшении интервала затвердевания (наибольшая жидкотекучесть наблюдается при эвтектическом составе) и зависит от скрытой теплоты плавления q и теплоемкости с, отнесенных к единице объема.
3.7.Химические свойства
Сопротивление коррозии зависит от структуры чугуна и от внешней среды (ее состав, температура, а также ее движения). По убывающему электродному потенциалу структурные составляющие чугуна могут быть расположены в такой последовательности: графит (наиболее стойкий) - цементит, фосфидная эвтектика - феррит. Разность потенциалов между ферритом и графитом составляет 0,56 в. Сопротивление коррозии уменьшается по мере увеличения степени дисперсности структурных составляющих. Однако чрезмерное уменьшение степени дисперсности графита также снижает сопротивление коррозии. Легирующие элементы влияют на сопротивление чугуна коррозии в соответствии с их влиянием на структуру. Повышенное сопротивление коррозии наблюдается у чугунных отливок с сохранившейся литейной коркой. Скорость коррозии по отношению к разным средам приведена в таблицах 5.
Таблица 5. Сравнительные данные по скорости коррозии чугуна и стали в растворах солей и щелочей.
| Воздействующая среда | Концентрация раствора в % | Потери в весе Г/м2 день | |||
| Нержавеющий чугун | Обыкновенный серый чугун | Мягкая сталь | Нержавеющая сталь | ||
| Аммоний хлористый | 5 | 1,53 | 23,33 | 11,39 | 0,03 |
| Аммоний хлористый при 93оС | 5 | 2,83 | 97,23 | 55,39 | 1,19 |
| Аммоний хлористый | 10 | 3,85 | 21,41 | 10,9 | 0 |
| Аммоний хлористый при 93оС | 10 | 2,83 | 104,6 | 49,74 | 1,12 |
| Аммоний сернокислый | 5 | 3,5 | 13,85 | 4,92 | 0,02 |
| Аммоний сернокислый | 10 | 2,16 | 15,13 | 4,99 | 0,03 |
| Аммоний сернокислый | 25 | 0,37 | 5,74 | 1,5 | 0,01 |
| Алюминий сернокислый | 5 | 8,17 | 17,35 | 72,23 | 0 |
| Бензин | - | 0 | 0 | 0,04 | 0,4 |
| Медь сернокислая | 0,5 | 21,25 | 55,51 | 32,28 | 0 |
| Медь сернокислая | 10 | 25,7 | 226 | 496,7 | 0 |
| Кальций хлористый | 5 | 2,75 | 4,77 | 3,54 | 0,01 |
| Известь хлорная концентрированная | - | 0,39 | 3,12 | 4,3 | 0 |
| Кальций хлористый и магний хлористый 5%-ный | - | 2,31 | 2,44 | 2,57 | 0,02 |
| Известковая вода | - | 0,11 | 1,52 | 0,99 | 0 |
| Магний хлористый | 5 | 3,37 | 5,31 | 3,29 | 0,01 |
| Керосин | - | 0,25 | 0,26 | 0,42 | 0,04 |
| Квасцы калийные | 0,5 | 0,09 | 3,17 | 2,75 | 0,02 |
| Квасцы калийные | 10 | 5,27 | 15,72 | 14,35 | 0,04 |
| Сода кальцинированная | 5 | 0 | 10 | 0 | 0 |
| Сода кальцинированная | 10 | 0 | 0 | 0,02 | 0 |
| Натрий хлористый | 5 | 2,94 | 3,01 | 2,9 | 0,02 |
| Натрий хлористый при 93оС | - | 1,43 | 2,27 | 2,57 | 0 |
| Натрий хлористый | 10 | 1,93 | 2,98 | 2,36 | 0,01 |
| То же при 93оС | - | 0,99 | 2,04 | 3,25 | 0,25 |
| Натрий хлористый | 20 | 1,76 | 1,74 | 1,69 | 0,01 |
| То же при 93оС | - | 0,64 | 0,01 | 1,67 | 0,28 |
| Натрий фосфорнокислый | 5 | 0,03 | 0,2 | 0,09 | 0 |
4. Диаграмма состояния железо–углерод (железо–графит) – диаграмма стабильного равновесия
Образование стабильной фазы графита в чугуне может происходить в результате непосредственного выделения его из жидкого (твердого) раствора или вследствие распада предварительно образовавшегося цементита.
Процесс образования в чугуне графита называют графитизацией.
Штриховые линии на диаграмме (рис. 4) соответствуют выделению графита.
Графит образуется при очень малой скорости охлаждения, когда степень переохлаждения жидкой фазы невелика.
Ускоренное охлаждение частично или полностью прекращает кристаллизацию графита и способствует образованию цементита.
Наличие в жидком чугуне включений SiO2, Al2O3, и др., а также введение Si способствует процессу графитизации.
Чугуны по технологическим свойствам обладают лучшими литейными характеристиками, чем стали, но малой способностью к пластической деформации (в обычных условиях не поддаются ковке). Чугун дешевле стали по технологии производства.
4.1. Кристаллизация серого чугуна
Серый чугун получил название по виду излома, который имеет серый цвет (из-за присутствия в структуре сплава свободного углерода – графита).
Наиболее широкое применение получили доэвтектические чугуны, содержащие 2,4 – 3,8% С. Такой чугун обладает хорошими литейными свойствами (С не < 2,4%). Содержание углерода > 3,8% способствует большему образованию графита, что ухудшает его механические свойства.
Серый чугун представляет собой по существу тройной сплав Fe – Si – C, в качестве неизбежных примесей находятся: Mn, Р и S.
Диаграмма Fe – C
Рисунок 4.
Кремний (Si) – содержится в количестве 1,2-3,5% – способствует выделению углерода в виде графита (т.е.влияет на строение, а следовательно на свойства чугунов).
Чем больше в чугуне углерода, тем меньше требуется кремния для получения заданной структуры.
Марганец (Mn) содержится в количестве 1,25 – 1,4 % – препятствует процессу графитизации, повышает способность чугуна к отбеливанию.
Сера (S) – содержится в количесве 0,1 – 0,2 % – способствует отбеливанию чугуна, ухудшает механические и литейные свойства. В чугуне находится в виде сульфатов – FeS, MnS или их твердых растворов (Fe, Mn)S.
Фосфор (Р) – содержится в количестве 0,2 – 0,5% –практически не влияет на процесс графитизации; улучшает литейные свойства (жидкотекучесть). Образует соединение Fe3Р, входящее в эвтектику. Способствует повышению твердости, износостойкости, хрупкости.