Чугуны: виды и применение

Урок разбирает чугуны — дешёвые литейные сплавы, где форма графита решает почти всё.

Чугун — сплав железа с углеродом свыше 2,14 %, обычно с графитными включениями, обладающий отличными литейными свойствами.

Чугун дешевле стали, прекрасно льётся и гасит вибрации, поэтому из него делают станины станков, блоки двигателей и канализационные трубы. Свойства чугуна определяются не столько количеством, сколько формой графита.

Зачем это инженеру

Выбор между сталью и чугуном — частое инженерное решение. Чугун выигрывает в цене, литейности и демпфировании, но проигрывает в пластичности. Зная виды чугуна, инженер подбирает оптимальный.

Виды чугуна

Пластинки графита работают как внутренние надрезы-концентраторы, поэтому серый чугун хрупок при растяжении. Шаровидный графит в высокопрочном чугуне почти не концентрирует напряжения — отсюда лучшие свойства.

Как работает под капотом

Графит занимает объём, но почти не несёт нагрузки. Оценим, какую долю объёма занимает графит, зная общий углерод и долю связанного в цементите. Плотность графита около 2,2 г/см³, чугуна — около 7,2 г/см³.

total_C = 3.6        # % углерода всего
bound_C = 0.8        # % связанного в цементите (перлит)
free_C = total_C - bound_C   # % свободного графита по массе

rho_iron = 7.2       # г/см3
rho_graphite = 2.2   # г/см3

# перевод массовой доли графита в объёмную (на 100 г)
m_graphite = free_C
m_matrix = 100 - free_C
V_graphite = m_graphite / rho_graphite
V_matrix = m_matrix / rho_iron
vol_frac = V_graphite / (V_graphite + V_matrix) * 100

print("Свободный графит:", round(free_C, 1), "% по массе")
print("Объёмная доля графита ~", round(vol_frac, 1), "%")

Вывод:

Свободный графит: 2.8 % по массе
Объёмная доля графита ~ 8.4 %
Свободный графит: 2.8 % по массе

Хотя по массе графита всего около 3 %, по объёму он занимает уже более 8 % — заметная доля «пустот» с точки зрения прочности. Вот почему форма этих включений так важна.

Получение нужной формы графита — это управление кристаллизацией. Серый чугун образуется при медленном охлаждении и наличии графитизаторов (кремния), белый — при быстром охлаждении, когда углерод не успевает выделиться в графит и остаётся в цементите. Ковкий чугун получают длительным отжигом белого, при котором цементит распадается на хлопьевидный графит. Высокопрочный чугун делают модифицированием расплава магнием, который заставляет графит расти шариками. Таким образом, один и тот же по химии сплав даёт совершенно разные материалы в зависимости от технологии — наглядный пример того, что в материаловедении структура важнее состава.

Частые ошибки

• Считать чугун всегда хрупким — высокопрочный чугун с шаровидным графитом довольно пластичен.
• Думать, что больше графита всегда хуже — серый чугун именно за счёт графита отлично гасит вибрации.
• Пытаться ковать серый чугун — он для литья, а не для деформации.

Итоги

• Чугун — литейный сплав с углеродом свыше 2,14 %.
• Свойства определяет форма графита: пластинки, хлопья или шарики.
• Серый чугун хрупок при растяжении, но хорошо льётся и демпфирует.
• Высокопрочный чугун с глобулярным графитом сочетает прочность и пластичность.