Курсовая работа: Конструкционные материалы, используемые в электроэнергетике
В качестве немагнитных чугунов также применяются аустенитные чугуны. Их используют в тех случаях, когда требуется минимальная потеря мощности (крышки масляных выключателей, концевые коробки трансформаторов и др.) или когда нужно избегать искажений магнитного поля (стойки для магнитов).
К износостойким чугунам относятся половинчатые и отбеленные чугуны. К износостойким половинчатым чугунам относится, например, серый чугун, легированный никелем и хромом, а также чугуны (с шаровидным графитом). Из этих чугунов отливают детали двигателей внутреннего сгорания (крышки и днища цилиндров, головки поршней и др.).
Антифрикционными чугунами являются серые и высокопрочные чугуны специальных марок. Некоторое применение нашли также ковкие антифрикционные ферритно-перлитные чугуны. Антифрикционные серые чугуны — перлитные чугуны и перлитно-ферритный чугун. Эти чугуны обладают низким коэффициентом трения, зависящим от соотношения феррита и перлита в основе, а также от количества и формы графита. В перлитных чугунах высокая износостойкость обеспечивается металлической основой, состоящей из тонкого перлита и равномерно распределенной фосфорной эвтектики при наличии изолированных выделений пластинчатого графита.
Антифрикционные серые чугуны применяют для изготовления подшипников скольжения, втулок и других деталей, работающих при трении о металл, чаще в присутствии смазочного материала. Детали, работающие в паре с закаленными или нормализованными стальными валами, изготавливают из чугунов, а для работы в паре с термически необработанными валами применяют чугун.
Главное достоинство антифрикционных чугунов по сравнению с баббитами и антифрикционными бронзами — низкая стоимость, а основной недостаток — плохая перирабатываемость, что требует точного сопряжения трущихся поверхностей.
3. Свойства чугуна
3.1.Общие свойства чугуна
Основными составляющими чугуна являются железо и углероды. Свойства чугуна определяются структурой основной металлической массы, формой, количеством и расположением графитных включений. В равновесном состоянии структура железоуглеродистых сплавов определяется диаграммой. При изменении состава меняется:
эвтектическая температура (0 С).Т = 1135+5Si - 35P - 2Mn + 4Cr;
концентрация углерода в эвтектике (%) C = 4.3 - 0.3 (Si + P) - 0.04Ni - 0.07Cr;
эвтектоидная температура T. = 723 + 20 Si + 8Cr - 30Ni - 10 Cu - 20 Mn ;
концентрация углерода в эвтектоиде C = 0.8 - 0.15Si - 0.8Ni - 0.05 (Cr + Mn).
Положение критических точек определено при нагреве; при охлаждении точки располагаются ниже. С достаточной точностью для нелегированного чугуна большинства марок применимы упрощенные формулы:
концентрация углерода в эвтектике C = 4.3 - 0.3 (Si + P);
концентрация углерода в эвтектоиде C = 0.8 - 0.15Si.
Влияние элементов на структуру приведено в таблице 1. Коэффициенты, характеризирующие относительное графитизирующие действие, могут быть использованы только при содержаниях углерода (≈ 3%) и кремния (≈2 %).
Таблица 1. Ориентировочное влияние элементов на структуру чугуна.
| Элементы | Содержание в % | Влияние | Относительное графитизирующее действие | ||
| На основную металлическую массу | На графит | При затвердевании | В твердом состоянии | ||
| Кремний | до 3,0 | Уменьшение содержания перлита | Увеличение количества и укрупнение | +1,0 | +1,0 |
| Углерод | более 1,7 | Уменьшение содержания перлита | Увеличение количества и укрупнение | + 1,0 | от +0,2 до +0,5 |
| Марганец | более 0,8 более 1,0 | Размельчение перлита Образование сернистого марганца | Слабое размельчение То же, но уменьшение количества | -0,2 | от -0,2 до 0,5 |
| Фосфор | до 1,0 | Образование сернистого марганца | То же, но уменьшение количества | - 0,2 | от -0,2 до 0,5 |
| Сера | до 0,2 | Образование сульфидов | Уменьшение количества | -2,0 | от -2 до -4 |
| Никель | до 1,5 | Размельчение перлита | Увеличение количества и слабое размельчение | +0,4 | от +4 до -0,2 |
| Хром | до 1,0 | Размельчение перлита | Уменьшение количества и слабое размельчение | -1,2 | от-1,2 до -3,0 |
| Медь | до 1,0 | Не влияет | Не установлено | +0,3 | от 0,3 до -0,2 |
| Молибден | до 0,5 | Размельчение перлита. Образование игольчатой структуры | Уменьшение количества. Значительное размельчение | -0,5 | от -0,5 до -1,5 |
| Ванадий | до 0,5 | Размельчение перлита | Уменьшение количества. Значительное размельчение | -2,0 | от -2 до -3 |
| Алюминий | до 0,5 | Уменьшение содержания перлита | Увеличение количества и укрупнение | +3,0 | +10 |
| Церий и магний | - | - | Сфероидинизация | - | - |
3.2.Физические и механические свойства
Главнейшие физические и механические свойства структурных составляющих чугуна приведены в таблице 2, а типичные физические свойства чугуна - таблице 3. Приведенный в таблице 3 удельный вес может значительно изменяться в зависимости от количества связанного углерода и наличия пор. Удельный вес жидкого чугуна при температуре его плавления равен 7,0 ± 0,1 Г/см2; он понижается при увеличении содержания обычных примесей. Приведенный в таблице 3 обратимый коэффициент линейного расширения зависит от структуры чугуна.
Необратимое увеличение объема (рост) резко увеличивается при переходе через температуру фазовых превращений и доходит до 30%, но обычно не превосходит 3% при нагреве до 500оС. Увеличению роста благоприятствует графитообразующие элементы, а препятствуют - карбидообразующие элементы и нанесение на поверхность чугуна покрытый (гальванических, методом металлизации, эмалирования).
Таблица 3. Типичные физические свойства чугуна
| Тип чугуна | Белый | Серый | Ковкий | Примечание, с повышением температуры: "+" - повышается; "-" - понижается |
| Удельный вес Г/см3 | 7,5±0,2 | 7,1±0,2 | 7,3±0,1 | - |
| Коэффициент теплового линейного расширения a·10-в 1/о С, при температурах 20-100 о С | 8±2 | 10±2 | 11±1 | + |
| Действительная усадка в % | 1,8±0,2 | 1,1±0,2 | - | + |
| Теплопроводность в кал/см·сек о С | 0,08±0,2 | 0,10±0,02 | 0,13±0,02 | - |
| Динамическая вязкость при температуре ликвидус дин·сек/см2 | 0,08 | 0,04 | - | - |
| Поверхностное натяжение в дин/см2 | 900±100 | 900±100 | - | + |
| Электросопротивление в Мк · ои · см | 70±20 | 80±40 | 50±20 | + |
| Теплоемкость в кал/Г · о С | 0,13±0,02 | 0,12±0,02 | 0,12±0,02 | + |
| Коэрцитивная сила в э | 13±2 | 10±1 | 1,5±0,5 | - |
| Остаточный магнетизм в гс | 5000±1000 | 5000±1000 | 5000±1000 | - |
3.3Тепловые свойства
Теплоемкость чугуна заданной структуры можно определить по правилу смешения, пользуясь данными таблице 2. Теплоемкость чугуна при температурах, превышающих фазовые превращения и до температуры плавления, может быть принята равной 0,18 кал /Го С, а превышающих температуру плавления - равной 0,23 ± 0,03 кал/Го С. Тепловой эффект при затвердевании равен 55 ± 5 кал/Г, а при перлитном превращении зависит от содержания перлита и доходит до 21,5 ± 1,5 кал/Г при эвтектоидной концентрации 0,8% Ссв:
Объемная теплоемкость, равная произведению удельной теплоемкости на удельный вес (кал/см3*оС), может быть принята для укрупненных расчетов: для твердого чугуна около 1 кал/см3*оС, а для жидкого - около 1,5 кал/см3*оС.
Теплопроводность не может быть определена по правилу смешения; приведенная в таблице 2 теплопроводность структурных составляющих по мере увеличения степени их дисперсности уменьшается. Типичная величина теплопроводности чугуна приведена в табл. 3. Влияние состава на теплопроводность сказывается главным образом через изменение степени графитизации. Теплопроводность ?-железа уменьшается при увеличении растворенных в нем примесей.
Теплопроводность жидкого чугуна равна ≈ кал/см*сек*оС.
Температуропроводность может быть принята при укрупненных расчетах для твердого чугуна числено равной его теплопроводности, а для жидкого чугуна равной 0,03 см2/сек.
3.4.Гидродинамические свойства
Динамическая вязкость приведена в таблице 4. Вязкость уменьшается при увеличении содержания марганца, а также при уменьшении содержания серы и неметаллических включений в зависимости от температурных условий, вязкость уменьшается приблизительно пропорционально отношению абсолютной температуры опыта к абсолютной температуре начала затвердевания. При переходе температуры начала затвердевания вязкость резко увеличивается.
Поверхностное натяжение для укрупненных расчетов может быть принято по таблице 3. Оно увеличивается с понижением содержания углерода и резко изменяется при наличии неметаллических включений.
Электрические свойства. При оценке электропроводности (электросопротивления) может быть использован закон Н.С. Курнакова. Ориентировочные значения электросопротивления структурных составляющих приведены в таблице 2, типового чугуна - в таблице 3. По ослабевающему действию на измельчение электросопротивления твердого раствора элементы могут быть расположены в ряд: кремний, марганец, хром, никель, кобальт.
Таблица 4. Коэффициенты вязкости чугуна
| Температура в о С | Коэффициент вязкости в ( дин · сек/см2 ) чугуна с содержанием углерода в % | ||||||
| 1,0 | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 | 3,5 | 4,0 | |
| Чугун застывает белым | |||||||
| 1250 | - | - | - | - | - | 0,029 | 0,021 |
| 1300 | - | - | - | - | 0,028 | 0,024 | 0,018 |
| 1350 | - | - | 0,029 | 0,026 | 0,024 | 0,02 | 0,016 |
| 1400 | 0,026 | 0,025 | 0,024 | 0,023 | 0,02 | 0,02 | 0,016 |
| Чугун застывает серым | |||||||
| 1280 | - | 0,043 | 0,041 | 0,04 | 0,039 | 0,037 | 0,035 |
| 1300 | 0,043 | 0,042 | 0,041 | 0,04 | 0,038 | 0,037 | 0,035 |
| 1350 | 0,04 | 0,04 | 0,039 | 0,038 | 0,037 | 0,036 | 0,035 |
| 1400 | 0,038 | 0,038 | 0,037 | 0,036 | 0,035 | 0,034 | 0,035 |
3.5.Механические свойства
Статистические свойства. Предел прочности при растяжении чугуна может быть качественно оценен по его структуре в соответствии с данными, приведенными в таблице 2. Прочность структурных составляющих увеличивается по мере увеличения степени их дисперсности. Форма, количество, величина и распределение графитных включений оказывают на предел прочности большее влиянии, чем структура основной металлической массы. Наиболее заметное снижение прочности наблюдается при расположении графитных включений в виде цепочки, прерывающей сплошность металлической массы. Наибольшая прочность достигается при сфероидальной форме графита. Она достигается в чугуне без тепловой обработки при прибавлении в определенных магниях и церия. С повышением температуры испытания предел прочности остается практически постоянным до 400о С (в интервале 100-200о С имеет место снижения прочности, не превышающее 10-15%). При нагреве выше 400о С наблюдается непрерывное падение предел прочности.
Таблица 2. Физические и механические свойства структурных, составляющих нелегированного чугуна
| Структурная составляющая | Удельный вес Г/см3 | Коэффициент теплового линейного расширения a*10 - в 1/о С при температурах 20-100о С | Теплоемкость в кал/Г*o С при температуре в о С | Теплопроводность в кал/см*сек о С | 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