0. Свойства чугунов. Влияние примесей

Поскольку структура чугуна состоит из металлической основы и графита, то и свойства чугуна будут зависеть как от свойств металлической основы, так и от количества и характера графитных включений.

Графит по сравнению со сталью обладает низкими механическими свойствами, и по этому графитные включения можно считать в первом приближении просто пустотами, трещинами. Отсюда следует, что чугун можно рассматривать как сталь испещренную большим количеством пустот и трещин.

Естественно, что чем больший объем занимают пустоты, тем ниже свойства чугуна. При одинаковом объеме пустот (т.е. количестве графита) свойства чугуна будут зависеть от их формы и расположения. Следовательно, чем больше в чугуне графита, тем ниже его металлические свойства, чем грубее включения графита, тем больше они разобщают металлическую основу, тем хуже свойства чугуна. Самые низкие механические свойства получаются тогда, когда графитные включения образуют замкнутый скелет.

При растягивающих нагрузках облегчается образование очагов разрушения по концам графитных включений. По механическим свойствам чугун характеризуется низким сопротивлением развитию трещины и, следовательно, обнаруживает низкие механические свойства при испытании, где превалируют нормальные растягивающие напряжения (например, при испытании на растяжение).

Если растягивающие напряжения имеют минимальные значения, как, например, при сжатии, свойства чугуна оказываются достаточно высокими и практически очень близкими к свойствам стали того же состава и структуры, что и металлическая основа чугуна.

Поэтому предел прочности при сжатии и твердость чугуна зависят главным образом от строения металлической основы и мало отличаются от этих свойств стали.

Такие же свойства чугуна, как сопротивление разрыву, а так же изгибу, кручению, в основном обусловливаются количеством, формой и размерами графитных включений. Сказанное относится главным образом к серому чугуну с пластинчатыми включениями графита.

Округлые включения шаровидного графита не создают резкой концентрации напряжений, такие включения не являются трещинами и чугун с шаровидным графитом имеет значительно более высокую прочность при растяжении и изгибе, чем чугун с пластинчатым графитом (отсюда и название чугуна с шаровидным графитом – высокопрочный чугун). Ковкий чугун с хлопьевидным графитом занимает промежуточное положение по прочности между обычным серым и высокопрочным чугуном.

Графит	Пластинчатый	Хлопьевидный	Шаровидный
Относительное удлинение, δ, %	0,2 – 0,5	5 – 10	10 – 15

Твердость НВ, определяемая структурой металлической основы, имеет следующие значения

Чугун	Ферритный	Феррито-перлитный	Перлитный
Твердость НВ	150	200	250

Твердость мало зависит от формы графита.

Благодаря наличию графита чугун имеет ряд преимуществ перед сталью:

• облегчает обрабатываемость резанием;

• обладает хорошими антифрикционными свойствами благодаря смазывающему действию графита;

• наличие графитных выделений быстро гасит вибрации и резонансные колебания;

• нечувствителен к дефектам поверхности, надрезам.

Следует также указать лучшие литейные свойства по сравнению со сталью. Более низкая температура плавления и окончания кристаллизации при постоянной температуре обеспечивает не только удобство в работе, но и лучшие жидкотекучесть и заполняемость формы.

Описанные преимущества чугуна делают его ценным конструкционным материалом, широко применяемым в деталях машин, главным образом тогда, когда они не испытывают значительных растягивающих и ударных нагрузок.

Обычный промышленный чугун – не двойной железоуглеродистый сплав – он содержит те же примеси, что и углеродистая сталь, т.е. марганец, кремний, серу и фосфор, но в большем количестве, чем сталь. Эти примеси существенно влияют на структуру и свойства чугуна.

Кремний особенно сильно влияет на структуру чугуна. Содержание кремния в чугунах колеблется в широких пределах: от 0,3 – 0,5 до 3 – 5 %. Изменяя содержание кремния, можно получить чугуны, совершенно различные по свойствам и структуре – от малокремнистого белого до высококремнистого ферритного.

Марганец в отличие от кремния способствует отбеливанию чугуна.

Сера также способствует отбеливанию чугуна, но одновременно ухудшает литейные свойства (снижает жидкотекучесть), поэтому содержание серы в чугуне лимитируется. Фосфор – полезная примесь в чугуне, т.к. он улучшает жидкотекучесть и износоустойчивость чугуна.

Кроме этих постоянных примесей, в чугун часто вводят и другие элементы. Такие чугуны называются легированными. Наиболее часто чугун легируют хромом, никелем, медью, алюминием, титаном.