Усталость металлов — это явление их разрушения при многократном нагружении.
Повторение нагрузок значительно уменьшает прочность металлов и сплавов. В технике для характеристики усталости металлов принято понятие выносливость — это то наибольшее напряжение, которое выдерживает металл, не разрушаясь после заданного числа переменных нагрузок (циклов).
Причиной разрушения металлов от усталости является охрупчивание, которое объясняется появлением в ослабленных местах металла постепенно увеличивающихся микротрещин.
Усталостному разрушению под действием часто повторяющихся переменных нагрузок подвержены шатуны двигателей, коленчатые валы, поршневые пальцы, поршни и др.
Раздел 3. Конструкционные материалы.
Тема 3.1.Чугуны.
Чугуны — это железоуглеродистые сплавы в которых содержится более 2,14 % С. По степени эвтектичности чугуны подразделяют на доэвтектические (2,14—4,3 % С), эвтектические (4,3 % С) и заэвтектические (>4,3 % С).
По степени графитизации чугуны подразделяют на белый (не графитизированный), в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита (FesC) или в карбидах других элементов (Cr, Mo, V, Ti и др.); отбеленный или половинчатый (частично графитизированный).
Графитизированные чугуны подразделяют на серый (СЧ), высокопрочный (ВЧ) и ковкий (КЧ). Ковким (КЧ) называют чугун за его повышенную пластичность, его получают из белого чугуна путем графитизации в твердом состоянии при высокотемпературной термической обработке.
По твердости чугуны классифицируют на мягкий (<НВ 149), средний (НВ 149—197), повышенной твердости. (НВ 197—269) и твердый (>НВ 269).
По прочности чугуны классифицируют на обыкновенной прочности (Qв < 200 МПа), повышенной прочности (Qа = 200-380 МПа) и высокой прочности (Qв > 380 МПа).
По пластичности чугуны классифицируют на непластичные (б < 1 %), малопластичный (б = 1÷5 %), пластичный (б = 5÷10 %) и повышенной пластичности (б > 10 %)
По эксплуатационным характеристикам чугуны подразделяют на износостойкие, антифрикционные, коррозионно-стойкие, жаропрочные, жаростойкие, немагнитные.
По форме графита различают чугуны с пластинчатым (СЧ), шаровидным или глобулярным (ВЧ), хлопьевидным или гнездообразным графитом (КЧ) и вермикулярным графитом (ЧВГ).
По структуре металлической матрицы чугуны делятся на феррйтные, перлитные, аустенитные, белые и со смешанной структурой — перлитно-ферритные, половинчатые (перлит -j- цементит), аустенитно-мартёнеитные и др.
Стандартами регламентированы не все конструкционные чугуны. Маркировку чугунов проводят по их механическим свойствам, а химический состав является факультативным показателем, кроме аустенитных и специальных чугунов.
Серые чугуны маркируют только по пределу прочности на разрыв (ав) с размерностью кгс/мм2, но при указании механических свойств той или иной марки чугуна используют размерность в МПа. ГОСТ предусматривает следующие марки серых чугунов: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 18, СЧ 20, СЧ 21, СЧ 24, СЧ 25, СЧ 30, СЧ 35, СЧ 40, СЧ 45.
Серые чугуны нашли широкое применение в станкостроении (станины, детали станков, суппорты, бабки, люки, крышки), в двигателестроении, авто- и тракторостроении (блоки цилиндров, гильзы, головки, распределительные валы, седла клапанов, направляющие втулки, поршневые кольца, толкатели, тормозные барабаны, диски сцепления, картеры коробок скоростей и сцепления), в химическом машиностроении, электромашиностроении, при производстве компрессоров, насосов, воздуходувок, для изготовления санитарно-технических изделий.
Ковкие чугуны маркируют по пределу прочности на разрыв (Qв) с размерностью кгс/мм2 и относительному удлинению (6) в процентах. ГОСТ предусматривает следующие марки ковких чугунов: КЧ 30-6, КЧ 33-8, КЧ 35-10, КЧ 37-12, КЧ 45-7, КЧ 50-5, КЧ 55-4, КЧ 60-3, КЧ 65-3, КЧ 70-2, КЧ 80-15.
Металлическая основа ковких чугунов может быть перлитной или ферритной. Все марки чугуна получают графитизирующим отжигом белого чугуна. По своим литейным и механическим свойствам ковкие чугуны занимают промежуточное положение между чугунами и литыми сталями. Ковкие чугуны, особенно ферритные, широко применяют в сельскохозяйственном машиностроении (шестерни, рычаги, звенья цепей, звездочки храповики, ступицы), в авто- и тракторостроении (задние мосты, ступицы, тормозные колодки, картеры дифференциалов, детали рулевого управления, рычаги, катки, втулки), вагоно- и судостроении (кронштейны, детали тормозной системы, детали сцепки, подшипники), в электропромышленности и станкостроении, текстильном машиностроении, для изготовления санитарно-технического и строительного оборудования.
Высокопрочные чугуны в соответствии с ГОСТ имеют следующие марки: ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100. Цифра, следующая за буквами ВЧ, означает предел прочности на разрыв в кгс/мм2.
Высокопрочные чугуны изготовляют из низкосернистых и низкофосфористых серых чугунов путем модифицирования их или магнием, или церием, или иттрием для получения графита шаровидной формы. Высокопрочные чугуны в литом состоянии получают ферритными, перлитными, аустенитными или половинчатыми, а после дополнительной термической обработки — мартенситными или бейнитными. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом используют очень широко в автомобильной промышленности (коленчатые и распределительные валы, кронштейны, ступицы, суппорты тормозных систем, шестерни главной передачи, шатуны, тормозные барабаны, картерные детали, поршневые кольца, подвески рессор, блоки цилиндров и другие детали). В тяжелом машиностроении (шаботы молотов, детали турбин, прокатные валки), в металлургии (изложницы), в транспортном машиностроении, в сельскохозяйственном машиностроении (прицепные скобы, шестерни и звездочки, ступицы колес, диски муфт, рычаги и педали, шкивы, зубья борон, стойки корпусов плугов, опорные катки).
Белые чугуны используют как износостойкие конструкционные материалы. В таких чугунах весь углерод находится в связанном состоянии с карбидообразующими элементами. Наиболее дешевым и очень эффективным карбидообразующим элементом является хром. Кроме хрома в белые чугуны часто вводят в небольших количествах другие карбидообразующие: марганец, бор, титан, ванадий, молибден. При введении 5—8 % Сг образуется карбид цементитного типа (Fe, Сг)3С, а при содержании более 10 % Сг образуются сложные и твердые карбиды (Сг, Fe)7C3 и (Сг, Fe)23Ce. Для придания чугуну большей вязкости, жаро- или коррозионной стойкости в его состав вводят никель и медь.
Износостойкие чугуны обозначают буквами ИЧ, и они маркируются по содержанию легирующих элементов, как стали. Чугуны марок ИЧХ4Г7Д, ИЧХЗТД,
ИЧХ28Н2, ИЧХ15МЗ, ИЧХ12М, ИЧХ12Г5, ИЧХ28Н2М2, ИЧХ12ГЗМ и другие применяют для изготовления лопаток дробеметных турбин, шаров и броневых плит для мельниц, элементов конструкций пневмотранспорта, деталей насосов, перекачивающих абразивную среду, деталей пескометов, лопастей шнеков и др.
Антифрикционные чугуны имеют в маркировке букву А. Они предназначены для работы в узлах трения в паре с закаленными, нормализованными или без термической обработки контртелами. Антифрикционные чугуны изготовляют на основе серых, ковких и высокопрочных чугунов.
Серые антифрикционные чугуны АСЧ-1 (с добавками хрома и никеля), АСЧ-2 (с добавками хрома, никеля, титана и меди) предназначены для работы с термически обработанным (закаленным, нормализованным) контртелом; чугун АСЧ-3 (с добавками титана и меди) предназначен для работы с незакаленным контртелом.
Ковкий антифрикционный чугун АКЧ-1 (перлитный или перлитно-ферритный) предназначен для работы в паре с термически обработанным контртелом и чугун АКЧ-2 (перлитно-ферритный или ферритно-перлитный) — для работы в паре с незакаленным контртелом.
Высокопрочный антифрикционный чугун АВЧ-1 предназначен для работы в паре с термически обработанным контртелом и чугун АВЧ-2 — для работы в паре с незакаленным контртелом.
Жаростойкие чугуны — стойкие к окалинообразованию и росту. Эти чугуны выпускают с пластинчатым и шаровидным графитом с добавками хрома, кремния и алюминия и в маркировке имеют букву Ж-
Хромистые чугуны ЖЧХ-0,8, ЖЧХ-1,5, ЖЧХ-2,5 применяют для элементов конструкций доменных, термических и мартеновских печей, колосников агломерационных печей, работающих при температуре до 650 °С. Высокохромистые чугуны, например ЖЧХ-30 (28—30 % Сг), применяют для изготовления горелок, фурм, колосниковых решеток, коробов для отжига, работающих при температурах до 900 °С.
Кремнистые чугуны изготовляют с пластинчатым и шаровидным 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 пластинчатым и шаровидным графитом. Эти чугуны могут быть легированы кремнием, никелем, хромом и медью для повышения окалино- и износостойкости. Алюминиевые чугуны обладают -высокой эксплуатационной стойкостью в среде печных газов при температуре 1100— 1150 °С, в среде перегретых паров серы и сернистых 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 применяют при изготовлении котлов для плавки каустика. Чугуны ЧНХТ, ЧН1Х/ЧД, ЧН1МШ применяют в двигателестроении для отливки поршневых колец, направляющих втулок, головок цилиндров, выпускных патрубков, поршней и гильз паровых машин, судовых дизелей, газокомпрессоров и других деталей.
Высококремнистые чугуны (ферросилиды) применяют для поршневых насосов (цилиндры, поршни, клапаны, седла), для оборудования по производству концентрированных серной и азотной кислот (лопатки мешалок, фитинги, втулки, реакционные аппараты, трубопроводы). Высокохромистые сплавы обладают коррозионной стойкостью в азотной, серной, уксусной, фосфорной кислотах, в растворах солей, щелочей и морской воде. Из этих чугунов изготовляют детали насосов, реторты, конденсаторы, вентили, трубы, мешалки для химической промышленности.