Углеродистой и легированной конструкционной стали

Марка стали	σв, МПа	σm,МПа	HB
Сталь углеродистая обыкновенного качества
Ст2 Ст3 Ст4 Ст5 Ст6
Сталь углеродистая качественная конструкционная
Отливки из углеродистой стали
35Л 40Л 45Л 50Л 55Л			>143 >147 >153 >174 155-217
Сталь легированная конструкционная
30ХГС 35Х 40Х 40ХН	981-795 934-686 981-686 981-736	835-637 736-441 785-441 785-550	229-215 241 — 190 241-190 250-220

Чугуны

Чугун – сплав железа Fe и углерода С (свыше 2,14%), содержащие постоянные примеси марганца, кремния, фосфора и серы, а также при необходимости легирующие элементы. Повышенное содержание углерода улучшает его литейные свойства при одновременном увеличении хрупкости. Благодаря хорошим литейным свойствам и низкой стоимости чугун используется для изготовления конструкций сложных конфигураций. Из-за своей относительно низкой стоимости чугун применяется для изготовления массивных деталей, например, корпусных, и различного рода станин, а также для маховиков при окружной скорости не выше 30 м/с. Не рекомендуется применять серый чугун при действии на детали машин больших крутящих моментов. В случае ударов, больших усилий, необходимости экономии массы и т. п. при изготовлении деталей машин отливкой переходят от серого чугуна к высокопрочному чугуну или к стальному литью. Высокопрочный чугун значительно прочнее серого чугуна и с успехом может заменять стальное литье и поковки из углеродистой стали.

Чугун можно рассматривать как сталь, пронизанную графитом, который играет роль надрезов, ослабляющих металлическую основу структуры. В этом случае механические свойства чугуна зависят от характера распределений включений графита и от их величины. Чем меньше графитовых включений и чем они мельче, тем выше прочность чугуна. Таким образом, можно сказать, что для чугуна характерно нарушение сплошности, и это обстоятельство делает его мало чувствительным к всевозможным концентраторам.

В отличие от стали чугун не подвержен остаточному пластическому деформированию, следовательно, не имеет предела текучести. Для чугунов характерным является только предел прочности, причем предел прочности при сжатии σ_bc оказывается существенно выше, чем предел прочности при растяжении σ_bt.

Важной механической характеристикой любого материала является модуль упругости. Для чугунов его величина может быть рассчитана по формуле E=(4,5…5)100σ_b, если предел прочности σ_b находится в границах σ_b =100…300 МПа.

Для этих материалов не в полной мере справедлив закон прямой пропорциональной зависимости деформации от нагрузки. По этой причине решения, полученные методами теории упругости, применительно к чугунам могут иметь значительно большие погрешности, чем при расчете других материалов.

В зависимости от структуры и состояния, в котором находится углерод (свободный или химически связанный), различают серые, белые и ковкие чугуны. Чугуны также классифицируют в зависимости от назначения – на конструкционные и со специальными свойствами; и от химсостава – на легированные и нелегированные.

Как конструкционный материал наиболее широко применяются серые чугуны, в которых весь углерод находится в свободном состоянии в виде включений графита пластинчатой формы. Они обладают средней прочностью, хорошими литейными и другими технологическими свойствами (жидкотекучестью, малой линейной усадкой, обрабатываемостью резанием), мало чувствительны к концентрации переменных напряжений, антифрикционны. Эти чугуны являются наиболее дешевыми (что определяет их широкое применение), однако имеют малую механическую прочность.

Созданы также чугуны, имеющие повышенную по отношению к другим маркам прочность. Эти марки в качестве легирующих добавок имеют Cr, Mg и некоторые другие компоненты. Такие чугуны допускают закалку поверхности и упрочнение ее наклепом.

Некоторые марки чугуна (при добавлении к ним легирующих элементов, таких как Mg, Cu, Si и т.д.) обладают антифрикционными свойствами, для которых характерно низкое значение коэффициента трения, и малая скорость износа поверхностного слоя. Эти чугуны рекомендуется использовать как материал для изготовления деталей, работающих в условиях относительного скольжения, трущиеся поверхности которых допускают процедуру закалки.

В белых чугунах избыточный углерод, не растворившийся в твердом растворе железа, присутствует в виде карбидов железа. Вследствие низких механических свойств – высокой хрупкости и твердости, плохой обрабатываемости резанием – белые чугуны не применяются в качестве конструкционных материалов.

Ковкий чугун получают из белого путем последующего отжига до распада графита в виде хлопьев. Детали из него могут подвергаться незначительным деформациям. Они обладают меньшей по сравнению с деталями из серого чугуна хрупкостью, но стоят на 30 … 100% дороже.

Высокопрочный чугун характеризуется шаровидной или близкой к ней формой включений графита, которую получают модифицированием жидкого чугуна присадками магния. Шаровидный графит в наименьшей мере ослабляет металлическую основу, что приводит к высоким механическим свойствам. Высокопрочный чугун обладает хорошими литейными и эксплуатационными свойствами.

Для улучшения прочностных характеристик и получения особых эксплуатационных свойств: износостойкости, немагнитности, коррозионной стойкости и т.д., в состав чугунов вводят легирующие элементы (никель, хром, медь, алюминий, титан и др.). Легирующими элементами могут служить также марганец (при содержании более 2%) и кремний (более 4%).

Марки чугуна обозначаются буквами, показывающими назначение чугуна: СЧ – серый чугун, ВЧ – высокопрочный, КЧ – ковкий чугун; для антифрикционных чугунов в начале марки указывается буква А (АСЧ, АВЧ, АКЧ). Цифры в обозначении марки нелегированного чугуна указывают на его механические свойства. Для серых чугунов цифры указывают величину предела прочности (кгс/мм²) при растяжении. Например, марка СЧ18 показывает, что чугун имеет σ_ut= 18 кгс/мм² = 180 МПа. Для высокопрочного и ковкого чугуна цифры определяют предел прочности (кгс/мм²) и относительное удлинение при растяжении в процентах, например ВЧ60-2 – высокопрочный чугун с σ_ut = 600МПа и δ= 2%.

Высокопрочный чугун широко применяется в машиностроении для изготовления станин, коленчатых валов, зубчатых колёс, цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей, работающих при температуре до 1200 °С в окислительных средах, и др.

Серые чугуны по их применению можно разделить на группы:

1. Ферритные и ферритно-перлитные чугуны применяют для изготовления малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки в работе.

2. Перлитные чугуны применяют для отливки станин мощных станков и механизмов, поршней, цилиндров, деталей, работающих на износ в условиях больших давлений.

3. Антифрикционные чугуны применяют для изготовления подшипников скольжения, втулок и других деталей, работающих при трении о металл.

Чугуны: СЧ 30 применяются для изготовления станин ножниц и прессов, блоков и плит многошпиндельных станков, патронов токарных станков, зубчатых колес.

СЧ 20 применяются для изготовления станин долбежных станков, вертикальных стоек фрезерных, строгальных и расточных станков, зубчатых колес, маховиков, тормозных барабанов, дисков сцепления.

СЧ 18 применяются для изготовления корпусных деталей, крышек, кожухов.

СЧ15 применяются для изготовления оснований большинства станков, ступиц, салазок, столов, корпусов маточных гаек, зубчатых колес, кронштейнов, вилок переключения, шкивов.

СЧ 10 применяются для изготовления плит, стоек, подшипников, втулок.

Ковкий чугун применяют для деталей, требующих по своей форме литой заготовки, но допускающих при работе случайные ударные нагрузки. Из ферритных чугунов изготавливают картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы, хомутики, муфты, фланцы. Из перлитных чугунов, характеризующихся высокой прочностью, достаточной пластичностью, изготавливают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки.

Жаростойкие чугуны – ЖЧХ - применяются для изготовления деталей компрессоров, горелок, кокилей.

ЖЧХ30 применяются для изготовления деталей химической аппаратуры.

ЖЧХ2 применяются для изготовления деталей контактных аппаратов химического оборудования.

Таблица 7. Физико-механические характеристики