Файл: Учебное пособие Пермь, 2011 удк 621. 791 Рецензенты др техн наук, проф. Ю. Д. Щицын.doc

Деформацией называется изменение размеров или формы тела под действием внешних сил, либо физико-механических процессов, протекающих в самом теле (перепад температур, фазовые превращения и т.д.).

Любое воздействие внешних сил на твердое тело уравновешивается противодействием межатомных сил, которые стремятся вернуть атомы в положения, соответствующие минимуму потенциальной энергии.

Деформация тела совершается в результате относительного смещения атомов из положения равновесия. При упругой деформации сохраняется пропорциональная зависимость между деформирующими силами и смещениями атомов. После снятия внешних сил твердое тело восстанавливает свои исходные размеры и форму. Если при прекращении действия внешних сил твердое тело не полностью восстанавливается, то такая деформация называется пластической (остаточной). В этом случае атомы не возвращаются в исходные позиции, а занимают новые положения устойчивого равновесия. При пластическом нагружении линейная связь между напряжениями и деформациями обычно отсутствует. Способность металлов к остаточной деформации называется пластичностью.

Пластическая деформация твердых тел в основном характеризуется скольжением и двойникованием. Скольжение или смещение отдельных частей кристалла относительно друг друга (рис. 17, а) совершается под действием касательных напряжений (). Оно осуществляется в плоскостях и направлениях с наиболее плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу наименьшее. Металла, имеющие большое количество таких плоскостей и направлений (с кубической кристаллической решеткой, например), являются наиболее пластичными. Кристаллическая решетка ГПУ обладает низкими пластическими свойствами.

П
ри двойниковании (рис. 17, б) происходят смещения атомов, располагающихся в плоскостях, параллельных плоскости двойникования. Двойникование сопровождает скольжение, а плоскости двойникования совпадают с плоскостями скольжения.

Пластическая деформация представляется как процесс скольжения, основой которого являются перемещения в плоскости скольжения отдельных несовершенств кристаллической решетки  дислокаций, см. рис. 17.

Процесс пластической деформации металлов сопровождается ростом числа дефектов кристаллической решетки, искривлениями плоскостей скольжения, появлением обломков кристаллитов в плоскостях скольжения, структурными превращениями по плоскостям скольжения и др. Все это препятствует перемещению дислокаций, способствует их накапливанию и взаимодействию друг с другом. Это одна из причин упрочнения (наклепа) и снижения пластичности металла.

---

На рис. 18, а показана микроструктура металла до деформации.

П ри наклепе растут значения прочностных характеристик металлов и уменьшаются показатели пластичности.

При больших степенях деформации зерна металла вытягиваются в направлении действия приложенных сил. При этом образуется волокнистая или слоистая структура (рис. 18, б). Еще большая степень деформации приводит к возникновению текстуры деформации, которая характеризуется определенной ориентацией зерен по отношению к прилагаемым нагрузкам. Волокнистая структура и текстура деформации приводит к анизотропии. Металл, подвергнутый пластическому деформированию, находится в термодинамически неустойчивом состоянии. Нагрев может вернуть ему исходные (до деформирования) свойства. Если температура нагрева меньше 0,2…0,3 температуры плавления, то протекает процесс возврата. При этом улучшаются структурное состояние и пластичность металла, а также уменьшается плотность дислокаций.

Возврат имеет две стадии. При более низких температурах наблюдается отдых, когда уменьшается число точечных дефектов. Второй стадией при несколько больших температурах является дробление кристаллов. Возврат почти не изменяет механические свойства металлов.

При температуре нагрева около 0,4 температуры плавления в металле происходит процесс рекристаллизации, при котором почти полностью снимается наклеп или нагартовка. Вследствие тепловой активности атомов образуются новые равноосные зерна. Зародыши зерен возникают в участках с повышенной плотностью дислокаций, постепенно они увеличиваются в размере за счет перехода к ним атомов от деформированных участков металла. Новые зерна имеют неискаженную кристаллическую решетку. Поэтому после рекристаллизации свойства металла возвращаются к исходным. При рекристаллизации существенно снижаются прочностные характеристики, пластичность возрастает, снимаются внутренние напряжения.

Сравнивая температуры деформации и рекристаллизации, можно говорить о горячей или холодной деформации.

Если температура деформации ниже температуры рекристаллизации, то деформация считается холодной. Процесс холодной деформации сопровождается наклепом металла, так как малые температуры не обеспечивают разупрочнения металлов. Механические свойства металлов при холодной деформации изменяются значительно: возрастает прочность и уменьшается пластичность.

---

Если температура деформации выше температуры рекристаллизации, то деформацию называют горячей, при которой получаемый наклеп снимается рекристаллизацией.


5. Чугуны

---

5.1.Классификация и маркировка

Чугун  сплав железа с углеродом (2,14…6,64 % С).

Чугуны классифицируют по назначению, степени графитизации, форме графита, микроструктуре металлической основы, химическому составу.

По назначению чугуны подразделяются на передельные (идут на переработку в сталь) и литейные (для изготовления различных отливок).

Классификация по структуре основывается на степени связанности углерода в сплаве.

Если весь углерод находится в связанном состоянии  в виде химического соединения Fe₃C, то чугун называется белым.

Если весь углерод или большая его часть находится в свободном состоянии  в виде графита, то чугун называется серым, ковким или высокопрочным. Форма графита, оказывающая существенное влияние на свойства чугунов, в серых чугунах  пластинчатая, в ковких  хлопьевидная, в высокопрочных  шаровидная.

По структуре чугуны делят на ферритные, феррито-перлитные и перлитные.

Серые чугуны маркируют буквами СЧ (серый чугун) и цифрами (например, СЧ12, СЧ15, СЧ18, СЧ21, СЧ23, СЧ24, СЧ32, СЧ36, СЧ40), показывающими среднее временное сопротивление при растяжении (кгс/мм²). Например, чугун марки СЧ12 имеет _В > 12 кгс/мм² (120 МПа), СЧ40  _В = 40 кгс/мм² (400 МПа).

Высокопрочные и ковкие чугуны маркируют соответственно буквами ВЧ и КЧ и цифрами (например, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12, КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3), при этом первые две цифры указывают на средний _В, а следующие в ковких чугунах  на относительное удлинение в %.
5.2. Свойства и применение чугуна

Белый чугун

Наличие большого количества высокотвердого >800 НВ (> 8000 МПа) Fe₃C обусловливает высокую хрупкость, очень плохую обрабатываемость резанием, а следовательно, и ограниченное применение белого чугуна. Его, в основном, перерабатывают в сталь, применяют в качестве литейного материала с рекордной устойчивостью в условиях абразивного износа; при помощи термообработки трансформируют в ковкий чугун.

Серый чугун

Серый чугун представляет собой сплав FeCSi с неизбежными примесями Mn, S и Р. Содержание углерода колеблется в пределах 2,4…3,8 %. Кремний (1,2…3,5 %) вводят специально  он ускоряет графитизацию, оказывает большое влияние на структуру и свойства чугуна. Марганец (1,25…1,4 %) и сера (0,1…0,12 %) препятствуют графитизации, причем в мелких отливках их действие вреднее, чем в больших. Он способствует отбеливанию (образованию Fe

---

₃C) чугуна, особенно в поверхностных слоях отливок, охлаждающихся более интенсивно. Сульфиды FeS, MnS ухудшают свойства отливок. Фосфор не влияет на графитизацию, но образует фосфидную эвтектику, повышающую литейные свойства чугуна. Поэтому в отливках для художественного литья допускается 0,4…0,5 % Р.

Серый чугун имеет высокие литейные свойства (определяются его структурой), сравнительно низкую температуру плавления, хорошую жидкотекучесть, способность поглощать вибрации, достаточно высокое сопротивление разрушению под действием сжимающих нагрузок, что обеспечивает широкое применение серого чугуна.

Пластины графита нарушают сплошность металлической основы: в силу малой прочности его включения являются как бы готовыми трещинами. Измельчение графитных включений, увеличение степени изолированности их друг от друга повышают прочность чугуна, но относительное удлинение его при растяжении все равно мало  меньше 0,5 %.

Графит (играет роль смазки) обусловливает хорошие антифрикционные свойства чугуна, улучшает обрабатываемость резанием.

В зависимости от структуры основы твердость чугуна составляет 143…255 НВ (1430…2550 МПа). Соответственно меняется и прочность: чем больше феррита, тем ниже прочность и износостойкость. Наиболее прочные перлитные чугуны применяют для ответственных отливок (станины мощных станков, гильз, поршней, поршневых колец, цилиндров, блоков двигателей, дизельных цилиндров и др.).

Ферритные и феррито-перлитные чугуны с _В = 120 180 МПа применяются для изготовления малоответственных и малонагруженных деталей (фундаментные плиты, корпуса редукторов и насосов, строительные колонны, крышки, ступицы и др.).

Высокопрочный чугун

При выплавке чугуна с присадкой небольшого количества (0,03…0,07 %) магния или других модификаторов (щелочных или щелочноземельных металлов) графит в чугуне получается шаровидной формы. Он значительно меньше ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый. Чугун имеет более высокие механические свойства: способность гасить вибрации, хорошо обрабатываться резанием, износостойкость, литейные свойства и др. Как правило, в таком чугуне содержится 2,7…3,7 % С, 1,6…2,7 %

---