Cznewskie właściwości mechaniczne żelaza

1. Co to jest żeliwne żeliwne?

Dukes lane żelazo- Często nazywane guzowatą lub sferoidalnym grafitem żelaza wtrącenia grafitu sferoidalnego.

W przeciwieństwie do szarego żelaza, który zawiera grafit podobny do płatków, który tworzy koncentratory naprężeń i kruchość, Guzenowy grafit guzowatego żelaza opiera się inicjacji pęknięć i promuje zachowanie złamania opornego na łzy.

Opracowane na początku lat 40. XX wieku i komercjalizowane przez międzynarodową firmę niklu w 1948,

Żelazie plastyczne zrewolucjonizowało komponenty ciężkie, łącząc Wydajność, Wysoka wytrzymałość na rozciąganie (aż do 1000 MPA w klasach specjalistycznych), I godna uwagi plastyczność (wydłużenie tak wysokie 20% w pełnych klasach ferrytycznych).

Jego matryca może wahać się od w pełni ferrytycznej - odważenia maksymalnej ciągliwości - po w pełni perlityczną - wytrzymałość na maksymalizację - pozwalając inżynierom dostosować właściwości w spektrum 400–1000 MPA UTS I 10–20% wydłużenie.

Zrozumienie jej unikalnej mikrostruktury guzkowej i regulowanych faz macierzy, Projektanci wykorzystują żelazo plastyczne, aby spełnić rygorystyczne bezpieczeństwo, długowieczność, i cele kosztów.

2. Mikrostruktura i chemia

Żelazie plastyczne wywodzi się z wyjątkowej kombinacji siły, plastyczność, oraz odporność na zmęczenie ze strony starannie zaprojektowanej mikrostruktury.

W szczególności dwie cechy - morfologia graffitu i skład fazowy macierzy - określają jej mechaniczne zachowanie.

Morfologia grafitowa: Guzki vs.. Płatki

W przeciwieństwie do grafitu płatkowego Grey Iron, który tworzy ostre koncentratory stresu związane z pęknięciem, żelazo plastyczne tworzy prawie sferyczne guzki grafitowe.

Typowa liczba guzków waha się od 100 Do 300 Guzki/mm², z guzkowością powyżej 80% Zapewnienie optymalnej wydajności pęknięcia.

Badania pokazują, że liczba guzka powyżej 200/mm² może zwiększyć wytrzymałość na rozciąganie 15% oraz absorpcja energii podwójnej wpływu w porównaniu z niższymi gęstościami guzka.

Kluczowy na wynos: Sferoidalny grafit przerywa ścieżki pęknięć, promowanie złamania plastycznego i wchłaniania energii, a nie kruchego cięcia.

Fazy ​​macierzy: Ferryt, Perlite, i mieszane struktury

Żelazna matryca otaczająca te guzki dodatkowo dostosowuje właściwości mechaniczne:

• W pełni ferrytyczna macierz

• • Kompozycja: ≥ 90% ferryt
  • Właściwości: Wydłużenie do 20%, UTS wokół 350–450 MPa
  • Aplikacje: Komponenty wymagające wysokiej plastyczności, takie jak obudowy rogowe

• Matryca perlityczna

• • Kompozycja: ≥ 90% Perlite
  • Właściwości: UTS do 650–800 MPa, wydłużenie ograniczone do 6–8%
  • Aplikacje: Zębate i wały o wysokiej wytrzymałości

• Mieszany ferryt - Pearlite

• • Kompozycja: Zrównoważone fazy (NP., 50:50)
  • Właściwości: UTS 400–550 MPa Z wydłużeniem 10–15%
  • Aplikacje: Odlewy ogólne, łączące siłę i wytrzymałość

Producenci dostosowują prędkości chłodzenia - wykorzystanie dreszcze pleśni lub odcinków izolowanych - w celu przesunięcia stosunku ferrytu -pearlitowego i trafienia celów wydajnościowych.

Elementy stopowe i zaszczepienie

Precyzyjna chemia stopu i praktyki zaszczepienia leżą u podstaw spójnego tworzenia guzków i kontroli matrycy:

• Węgiel (3.2–3,6%) I Krzem (1.8–2,8%) Ustaw linię bazową pod kątem możliwości wysadzenia i grafitu.
• Magnez (0.02–0,06%) Działa jako potężny guzilnik; niewystarczające Mg prowadzi do nieregularnych kształtów grafitowych.
• Cerium lub ziemskie ziemia (0.005–0,02%) Dalsze udoskonalenie geometrii guzka i zmniejsz resztkowe węgliki.

Odlewnie wprowadzają te elementy przez INOCULANTY—Przewórz stopy ferrroston -magnesium dodane 0.2–0,4% Waga tuż przed nalaniem.

Właściwe zaszczepienie obniża prawdopodobieństwo degeneracji grafitowej, Zapewnienie jednolitych struktury guzkowej.

Na przykład, Zwiększenie Mg z 0.03% Do 0.05% może podnieść liczbę guzków według 20%, zwiększenie życia zmęczenia przez 30% w obrotowych komponentach.

3. Standardowe klasyfikacje & Oceny

Oznaczenia klasy ASTM A536

Standard ASTM A536 wykorzystuje system trzech liczb (NP., 65–45–12) gdzie każda liczba reprezentuje mechaniczny punkt odniesienia:

• 65 oznacza minimalną najwyższą wytrzymałość na rozciąganie (UTS) z 650 MPA.
• 45 Określa minimalną granicę plastyczności (0.2% zrównoważyć) z 450 MPA.
• 12 wskazuje minimalne wydłużenie przy złamaniu 12 procent.

A536 definiuje trzy główne stopnie wytrzymałości na rozciąganie, granica plastyczności, i wydłużenie:

• 65–45–12: UTS ≥ 650 MPA, Ys ≥ 450 MPA, Wydłużenie ≥ 12%
• 80–55–06: UTS ≥ 800 MPA, Ys ≥ 550 MPA, Wydłużenie ≥ 6%
• 100–70–03: UTS ≥ 1000 MPA, Ys ≥ 700 MPA, Wydłużenie ≥ 3%

Klasy nomen en - GJS

W Europie, W 1563 definiuje guzowe żelaza z etykietami takimi jak GJS - 400–15 lub GJS - 600–3:

• GJS oznacza „grafite sferoidalne,”Wskazujący grafit guzkowy.
• Pierwsza liczba (NP., 400) równa się UTS w MPA (GJS-400-15 → 400 MPA).
• Druga liczba (NP., 15) daje wydłużenie procentowe.

Ten system metryczny jest ściśle zgodny z klasami ASTM: GJS - 400–15 odpowiada z grubsza ASTM A536 65–45–12, podczas gdy GJS - 600–3 pasuje do 100–70–03.

4. Podstawowe właściwości mechaniczne

W tej sekcji analizuje jej kluczowe wskaźniki - obfitość i granica plastyczności, Crokatność i wytrzymałość wpływu, i twardość - i wyjaśnia, w jaki sposób znormalizowane testy weryfikują każdy atrybut.

Rozciąganie i granica plastyczności

Zakresy wytrzymałości na rozciąganie żelaza 350 MPA w całkowicie fertycznych klasach 1000 MPA w specjalności, Stopy o wysokiej wytrzymałości.

• Ogólne stopnie takie jak ASTM A536 65–45–12 wykazują najwyższe wytrzymałość na rozciąganie 650 MPA i mocne strony w pobliżu 450 MPA.
• Gatunki o wysokiej wytrzymałości (80–55–06) popchnąć wytrzymałość na rozciąganie do 800 MPA z wydajnością 550 MPA, podczas gdy warianty z łatwością przekraczają 1000 MPA.

Następuje standardowe testy rozciągania ASTM E8, który określa stałą prędkość krzyżową i geometrię próbki dla psów.

Granica plastyczności - ustalona w 0.2% offset - indikuje początek stałego deformacji, Prowadzenie projektantów w wyborze czynników bezpieczeństwa i ograniczeń obciążenia.

Crokatność i wytrzymałość wpływu

Plastyczność, mierzone jako wydłużenie przy złamaniu, różni się od 6% w całkowicie perlitycznych żelazach do końca 20% w pełnych klasach ferrytycznych.

W przypadku większości odlewów mieszanych (NP., 50:50 Ferryt - Pearlite), Inżynierowie mogą się spodziewać 12–15% wydłużenie, Uderzanie praktycznej równowagi między formowalność a siłą.

Wytrzymałość uderzenia, Oceniane za pomocą testów Charpy V -Notch (ASTM E23), zazwyczaj spada 30 J I 60 J w temperaturze pokojowej.

Ponadto, Klasy ferrytyczne często wchłaniają 70 J, czyniąc je idealnymi dla komponentów podlegających obciążeniu wstrząsów i naprężeniami dynamicznymi.

Wartości te podkreślają zdolność żelaza plastycznego do deformacji plastycznego pod nagłe obciążenia, Zmniejszenie katastroficznego ryzyka złamania.

Twardość i odporność na zużycie

Twardość koreluje ściśle z wytrzymałością na rozciąganie, jak i odporność na zużycie.

Numer twardości Brinell Brinell Iron (Bnn) Zwykle obejmuje 170–280 HB, z typowymi klasami grupowymi 190–230 Hb.

Ponadto, Testy twardości Rockwell (NP., Skala HR B.) Oferuj szybko, Weryfikacja na miejscu obróbki cieplnej i stanu matrycy.

Z reguły, każdy 50 HB Wzrost twardości Brinell odpowiada 150–200 MPa wzrost siły rozciągania.

Więc, Handlowe lub przestarzałe żelazo plastyczne - z wartościami BHN przekraczającymi 300—Can przetrwaj środowiska ścierne i zużycie wysokiej jakości bez poświęcania podstawowej wytrzymałości.

Podsumowanie kluczowych nieruchomości

Nieruchomość	Typowy zakres	Standard testowy
Ostateczna wytrzymałość na rozciąganie	350–1000 MPa	ASTM E8
Granica plastyczności (0.2% zrównoważyć)	250–700 MPa	ASTM E8
Wydłużenie przy złamaniu	6–20%	ASTM E8
Charpy Impact Energy	30–70 J. (Temperatura pokoju)	ASTM E23
Twardość Brinell (Bnn)	170–280	ASTM E10

5. Zachowanie zmęczeniowe i złamania

Żelazo plastyczne wyróżnia się zmęczeniem, ponieważ jego sferyczne guzki grafitowe rozkładają naprężenie i powolny wzrost pęknięć.

W testach obrotowych, 65–45–12 próbki przetrwają 10⁶ Cykle w amplitudach stresowych 200 MPA, w porównaniu do 80 MPA w szarym żelazku.

Inicjacja pęknięć często występuje w inkluzjach powierzchniowych, Ale guzowato grafitu opóźnia propagacja.

W porównaniu ze stalą o niskiej samolotu, żelazo plastyczne osiąga równoważny żywotność zmęczeniowa o wysokiej cyklu z o 20–30% niższą gęstością, Oferowanie oszczędności wagowych w cyklicznych aplikacjach.

6. Podwyższona - właściwości temperatury i pełzania

Gdy komponenty napotykają trwałe obciążenia w podwyższonych temperaturach, Żelazie plastyczne okazuje się niezwykle odporne.

Inżynierowie często wdrażają klasy takie jak 65–45–12 w kolektora wydechowych, Obudowy turbosprężarki, i inne części na gorąco, ponieważ utrzymuje siłę i opiera się odkształceniu zależne od czasu do około w przybliżeniu 300 ° C..

Stabilność termiczna wytrzymałości mechanicznej

Natychmiast po podgrzaniu, żelazo plastyczne przechodzi trochę zmiękczania.

Dla mieszanej klasy ferrytu i (NP., 65–45–12), W pobliżu wytrzymałości na rozciąganie pokoju 650 MPA spada do około 550–580 MPa Na 250 ° C. (≈ 85–90% retencja).

Na 300 ° C., UTS nadal mierzy z grubsza 500 MPA, umożliwiając projektantom poleganie na przewidywalnej pojemności obciążenia w środowiskach o wysokiej zawartości temperatury.

Odporność na pełzanie i szacowanie życia

Pełzanie - spośród, nieodwracalne odkształcenie przy stałym obciążeniu - znajdują się krytyczne w elementach sekcji gorącej.

Testy pełzania na 65–45–12 żelazo plastyczne wykazują pierwotne i wtórne zachowanie pełzania 250 ° C. pod stresem 200 MPA:

• Pierwotne pełzanie (Szybkość odkształcenia zwalnia) obejmuje pierwszy 100–200 godz.
• Wtórny (Stalia) skradać się postępuje z niską szybkością odkształcenia 10⁻⁷ s⁻¹, sugeruje mniej niż 1% Dodatkowe wydłużenie się skończyły 1 000 H.

Ekstrapolacja za pośrednictwem parametru Larsona -Millera, Inżynierowie przewidują 10 000 H Do 1% odkształcenie pełzania Na 200 MPA/300 ° C., Dopasowywanie wymagań serwisowych dla wielu turbosprężarki i kolektora wydechowego.

Mechanizmy pełzania w żelazku plastycznym

Wzrostu się żelaza plastycznego obejmuje przemieszczenie w matrycy ferrytycznej i poślizg.

Guzki grafitowe działają jako przeszkody, dalsze spowolnienie deformacji. W porównaniu do szarego żelaza, Żelaza plastyczna pokazuje 2–3 × Wyższe pęknięcie pełzania żyje w identycznych warunkach stresu i temperatury.

Typowe zastosowania o wysokiej temperaturze

• Kolektory wydechowe: Z szczytowymi temperaturami powierzchni 600 ° C., Struktura podkładu widzi w służbie 200–300 ° C.
  Zdolność żelaza plastycznego do znoszenia jazdy na rowerze między otoczeniem a 300 ° C bez pękania sprawia, że ​​jest idealny.
• Obudowy turbosprężarki: Ciągłe narażenie na 350–450 ° C. Gaz spalin wymaga zarówno odporności na wstrząsy termiczne, jak i stabilność pełzania.
  Oceny takie jak 80–55–06 (800 MPA UTS) Często tutaj służą, Dzięki ich wyższej zawartości perlitów i stabilności macierzy.

Implikacje projektowe

Biorąc pod uwagę te dane, projektanci powinni:

1. Określ stopnie według temperatury roboczej: Używać ocen ferrytycznych 250 ° C., i mieszane lub perlityczne oceny (NP., 80–55–06) Kiedy temperatury zamierzają bliżej 300 ° C..
2. Rozliczanie allowansów: Włączać 1–2% Dodatkowa grubość sekcji w długoterminowych zastosowaniach pełzania w celu zrekompensowania oczekiwanego obciążenia nad żywotnością serwisową.
3. Zastosuj czynniki bezpieczeństwa: Zwiększyć margines stresu projektowego 20–30% powyżej stałego naprężenia pełzania w celu ochrony przed nieoczekiwanymi skokami termicznymi.

7. Produkcja & Efekty leczenia cieplnego

Podczas gdy mikrostruktura i kompozycja żelaza plastycznego ustanowiła scenę dla jego właściwości mechanicznych, . proces produkcyjny I Zabiegi cieplne po przepisie Określ końcowy wydajność.

Przez kontrolowanie Parametry nalewające, stawki chłodzenia, Liczba guzka, I Przetwarzanie termiczne, Odlewnie dostosowują żelazo plastyczne, aby spełnić rygorystyczne wymagania dotyczące aplikacji.

Praktyki wylewania i szybkość chłodzenia

Odlewnie wlewają stopione żelazo plastyczne w temperaturach 1420 ° C i 1480 ° C. Aby zapewnić całkowite wypełnienie formy bez nadmiernego utleniania.

Po wyleaniu, . Szybkość chłodzenia, pod wpływem materiału pleśniowego, grubość sekcji, i użycie dreszcze, dyktuje równowagę ferrytu -pearlitów.

Na przykład, A 15 Sekcja ściany mm schłodzona 5 ° C/s zazwyczaj daje ~ 60% perlitów, zwiększanie wytrzymałości na rozciąganie 550 MPA z 8% wydłużenie.

W przeciwieństwie do tego, ta sama sekcja ochłodziła się 1 ° C/s rozwija ~ 80% ferrytu, osiągnięcie 400 MPA UTS i 15% wydłużenie.

Inżynierowie wykorzystują te efekty wrodzeń chłodzących, aby zoptymalizować odlewy: Szybsze chłodzenie dla biegów o wysokiej wytrzymałości, wolniejsze chłodzenie dla obudowa opornych na uderzenie.

Liczba guzków i techniki zaszczepienia

Guzka grafitowa - uzależniona jako procent grafitu guzkowego vs. Całkowity obszar grafitu - bardzo zależy od zaszczepienia.

Dodaje inokulacja odlewni 0.2–0,4% stopu ferrocelicon -magnesium do kadzi, produkcja 80–95% guzka i 150–250 guzków/mm².

Dla krytycznych powierzchni zużycia, zaszczepienie przypadków („Zaszczepienie powierzchni”) zwiększa ostatni strumień pour, podniesienie gęstości guzka powierzchniowego przez 10–20% bez zmiany mikrostruktury rdzeniowej.

To podwójne podejście zapewnia spójne właściwości mechaniczne na grubych sekcjach i maksymalizuje odporność na zużycie, gdzie ma to najważniejsze.

Metody obróbki cieplnej

Obróbka cieplna jest potężnym narzędziem dla Dostosowanie właściwości mechanicznych żeliwa plastycznego do określonych zastosowań inżynierskich. Powszechnie stosowane techniki obejmują:

• Wyżarzanie: Zwykle wykonywane w 870–950 ° C, a następnie powolne chłodzenie pieca, wyżarzanie przekształca matryce perlityczne w ferrytyczne, znacznie zwiększając plastyczność i odporność na uderzenie.
  Często jest stosowany w przypadku komponentów wymagających wysokiej wytrzymałości i niskiej kruchości.
• Normalizacja: Przeprowadzone w ~ 900 ° C z chłodzeniem powietrza, Proces ten udostępnia strukturę ziarna i promuje bardziej jednolitą matrycę perlityczną lub mieszaną.
  Zwiększa zarówno siłę, jak i wymagalność, sprawiając, że jest odpowiedni dla biegów, Huby, i wsporniki.
• Wschodnie temperowanie: To zaawansowane obróbka cieplna przekształca żelazo plastyczne w Żelazo plastyczne (Adi) Zgrywając odlew do kąpieli solnej (~ 250–400 ° C.) i trzymanie się, aż tworzy matryca Bainitic.
  Powstała struktura wykazuje lepszą siłę (aż do 1,400 MPA) i zużyj odporność na zachowanie rozsądnej plastyczności.

Kontrola procesu i spójność

Utrzymanie ścisłej kontroli procesu - Monitoring Nasy Temperatura w ciągu ± 10 ° C, śledzenie dodania inokulantu w granicach ± ​​0,02%, i weryfikacja temperatur pleśni - utrzymuje powtarzalność partii.

Termopary termopary i zautomatyzowane systemy inokulacji ostrzegają operatorów odchyleń, zapobieganie anomalii mikrostrukturalnych, takich jak guzka poniżej 75% lub nadmierne tworzenie się węglików.

Te miary kontroli jakości podtrzymują cele właściwości mechaniczne i minimalizują prędkości złomu.

8. Zastosowania żelaza plastycznego

Przemysł motoryzacyjny

• Wale korbowe - Ze względu na ich dużą odporność na zmęczenie i wytrzymałość, Wały korbowe z żelaza.
• Różnicowe przypadki i biegi - Skorzystaj z odporności na zużycie stopu i zdolności do wchłaniania wstrząsów.
• Kłynki kierownicze, Ramiona kontrolne, i komponenty zawieszenia - gdzie połączenie plastyczności i wysokiej wytrzymałości na rozciąganie zapewnia zarówno bezpieczeństwo, jak i wydajność.

Pompy i zawory

• Pompować obudowy i przeszkody
• Zbiorniki zastawkowe do wody, olej, i systemy gazowe
• Złącze i kołnierze rurowe w aplikacjach komunalnych i przemysłowych

Wiatr i energia odnawialna

• Obudowy skrzyni biegów
• Huby wirnikowe
• Noszący przewoźniki

Sprzęt rolniczy i ciężki

Komponenty takie jak obudowy osi, wsporniki, i wałki ścieżkowe od rzutów plastycznych ze względu na jego zdolność do odparcia deformacji przy dużych obciążeniach i łatwości wytwarzania w złożone kształty.

Olej, Gaz, i przemysł morski

• Systemy rurociągów
• Komponenty platformy offshore
• Korzystki podmorskie

9. Analiza porównawcza z innymi materiałami

Oto kompleksowa tabela porównawcza, która konsoliduje charakterystykę wydajności żeliwa plastycznego, Szare żeliwo, Kute stal, i austempreed żelazo plastyczne (Adi) do profesjonalnego stołu:

10. Wniosek

Żelaza plastyczna stoi na skrzyżowaniu opłacalnego odlewania i wysokiej wydajności mechanicznej.

Jego grafit guzkowy Struktura nadaje siłę, wytrzymałość, i odporność na zmęczenie, podczas gdy stop i przetwarzanie umożliwiają wykluczenie dla określonych aplikacji.

Przylegając do standardowych klasyfikacji, kontrolowanie mikrostruktury, oraz wdrażanie rygorystycznych protokołów jakości, Inżynierowie wykorzystują żelazo plastyczne do produkcji sejfu, wytrzymały, i ekonomiczne elementy.

Tak jak innowacje Adi i pojawia się produkcja addytywna, Żelaza plastyczna będzie nadal ewoluować, Wzmacniając swoją rolę jako materiał węgielny we współczesnej inżynierii.

LangHe jest idealnym wyborem dla twoich potrzeb produkcyjnych, jeśli potrzebujesz wysokiej jakości Produkty żeliwne plastyczne.

Skontaktuj się z nami już dziś!