Чыгун— група жалезавугляродзістых сплаваў з утрыманнем вугляроду больш за 2 %.Яго карыснасць абумоўлена адносна нізкай тэмпературай плаўлення.Складнікі сплаву ўплываюць на яго колер пры разбурэнні: белы чыгун мае карбідныя прымешкі, якія дазваляюць расколінам праходзіць прама, шэры чыгун мае графітавыя шматкі, якія адхіляюць праходную расколіну і ініцыююць незлічоныя новыя расколіны, калі матэрыял разбураецца, а пластычны чыгун мае сферычныя графітавыя «вузельчыкі», якія перашкаджаюць далейшаму прагрэсаванню расколіны.

Асноўнымі легіруючымі элементамі чыгуну з'яўляюцца вуглярод (C) ад 1,8 да 4 мас.% і крэмній (Si) 1-3 мас.%.Сплавы жалеза з меншым утрыманнем вугляроду вядомыя як сталь.

Чыгун, як правіла, далікатны, за выключэннем каванага чыгуну.Дзякуючы адносна нізкай тэмпературы плаўлення, добрай цякучасці, здольнасці да ліцця, выдатнай апрацоўцы, устойлівасці да дэфармацыі і зносаўстойлівасці, чыгуны сталі інжынерным матэрыялам з шырокім спектрам прымянення і выкарыстоўваюцца ў трубах, машынах і дэталях аўтамабільнай прамысловасці, такіх як цыліндры галоўкі, блокі цыліндраў і картэры каробак перадач.Ён устойлівы да пашкоджанняў акісленнем.

Самыя раннія вырабы з чыгуну датуюцца 5-м стагоддзем да нашай эры і былі знойдзены археолагамі на тэрыторыі цяперашняй правінцыі Цзянсу ў Кітаі.Чыгун выкарыстоўваўся ў старажытным Кітаі для вайны, сельскай гаспадаркі і архітэктуры.На працягу 15-га стагоддзя чыгун стаў выкарыстоўвацца для гармат у Бургундыі, Францыі і ў Англіі падчас Рэфармацыі.Колькасць чыгуну, які выкарыстоўваўся для гармат, патрабавала буйнамаштабнай вытворчасці. Першы чыгунны мост быў пабудаваны ў 1770-х гадах Абрахамам Дарбі III і вядомы як Жалезны мост у графстве Шропшыр, Англія.Пры будаўніцтве будынкаў таксама выкарыстоўваўся чыгун.

Легіруючыя элементы

Уласцівасці чыгуну змяняюцца даданнем розных легіруючых элементаў, або сплаваў.Побач з вугляродам крэмній з'яўляецца найважнейшым сплавільнікам, таму што ён выцясняе вуглярод з раствора.Нізкі працэнт крэмнію дазваляе вугляроду заставацца ў растворы, утвараючы карбід жалеза і вырабляючы белы чыгун.Высокі працэнт крэмнію выцясняе вуглярод з раствора, утвараючы графіт і вырабляючы шэры чыгун.Іншыя легіруючыя рэчывы, марганец, хром, малібдэн, тытан і ванадый, процідзейнічаюць крэмнію, спрыяюць захаванню вугляроду і адукацыі гэтых карбідаў.Нікель і медзь павялічваюць трываласць і апрацоўваемасць, але не змяняюць колькасць утворанага графіту.Вуглярод у выглядзе графіту прыводзіць да больш мяккага жалеза, памяншае ўсаджванне, зніжае трываласць і памяншае шчыльнасць.Сера, якая прысутнічае ў значнай ступені як забруджвальнік, утварае сульфід жалеза, які прадухіляе адукацыю графіту і павялічвае цвёрдасць.Праблема з серай у тым, што яна робіць расплаўлены чыгун глейкім, што выклікае дэфекты.Каб супрацьстаяць уздзеянню серы, дадаюць марганец, таму што яны ўтвараюць сульфід марганца замест сульфіду жалеза.Сульфід марганца лягчэйшы за расплаў, таму ён імкнецца ўсплываць з расплаву ў дзындру.Колькасць марганца, неабходнае для нейтралізацыі серы, складае 1,7 × утрыманне серы + 0,3%.Калі дадаць больш за гэтую колькасць марганца, то ўтворыцца карбід марганца, які павялічвае цвёрдасць і ахалоджванне, за выключэннем шэрага чыгуну, дзе да 1% марганца павялічвае трываласць і шчыльнасць.

Нікель з'яўляецца адным з найбольш распаўсюджаных легіруючых элементаў, таму што ён паляпшае структуру перліту і графіту, паляпшае трываласць і выраўноўвае адрозненні ў цвёрдасці паміж таўшчынямі секцый.Хром дадаецца ў невялікіх колькасцях для памяншэння колькасці вольнага графіту, астуджэння і таму, што ён з'яўляецца магутным стабілізатарам карбіду;нікель часта дадаюць у спалучэнні.У якасці замены 0,5% хрому можна дадаць невялікая колькасць волава.Медзь дадаецца ў каўш або ў печ, парадку 0,5-2,5%, каб паменшыць астыванне, ачысціць графіт і павялічыць цякучасць.Малібдэн дадаецца парадку 0,3-1% для павышэння ахалоджвання і ачысткі структуры графіту і перліту;яго часта дадаюць у спалучэнні з нікелем, меддзю і хромам для атрымання высокатрывалых прасаў.Тытан дадаецца як дэгазатар і раскісліцель, але ён таксама павялічвае цякучасць.0,15–0,5% ванадыя дадаюць у чыгун для стабілізацыі цэментыту, павышэння цвёрдасці і ўстойлівасці да зносу і цяпла.0,1–0,3% цырконія спрыяе ўтварэнню графіту, раскісленню і павышэнню цякучасці.

У расплавы каванага чыгуну дадаюць вісмут у памеры 0,002–0,01%, каб павялічыць колькасць крэмнію.У белы чыгун дадаецца бор, каб дапамагчы ў вытворчасці каванага чыгуну;ён таксама памяншае агрубенне эфект вісмута.

Шэры чыгун

Шэры чыгун характарызуецца сваёй графітавай мікраструктурай, з-за якой разломы матэрыялу набываюць шэры выгляд.Гэта найбольш часта выкарыстоўваны чыгун і найбольш шырока выкарыстоўваны літой матэрыял у залежнасці ад вагі.Большасць чыгуноў мае хімічны склад 2,5-4,0% вугляроду, 1-3% крэмнію і астатняе жалеза.Шэры чыгун мае меншую трываласць на разрыў і ўдарную трываласць, чым сталь, але яго трываласць на сціск параўнальная з нізка- і сярэдневугляродзістай сталлю.Гэтыя механічныя ўласцівасці кантралююцца памерам і формай графітавых шматкоў, якія прысутнічаюць у мікраструктуры, і могуць быць ахарактарызаваны ў адпаведнасці з рэкамендацыямі ASTM.

Белы чыгун

Белы чыгун дэманструе белыя драпіны з-за наяўнасці асадка карбіду жалеза, званага цэментытам.З меншым утрыманнем крэмнію (графітызуючы агент) і больш высокай хуткасцю астуджэння вуглярод у белым чыгуне выпадае з расплаву ў выглядзе метастабільнай фазы цэментыту Fe₃C, а не графіт.Цементит, які выпадае з расплаву, утварае адносна буйныя часціцы.Калі карбід жалеза выпадае ў асадак, ён выцягвае вуглярод з першапачатковага расплаву, перамяшчаючы сумесь да фазы, якая бліжэй да эўтэктыкі, а астатняя фаза ўяўляе сабой ніжні жалеза-вугляродны аўстэніт (які пры астуджэнні можа ператварыцца ў мартэнсіт).Гэтыя эўтэктычныя карбіды занадта вялікія, каб забяспечыць перавагі так званага ападкавага ўмацавання (як у некаторых сталях, дзе значна меншыя ападкі цэментыту могуць інгібіраваць [пластычную дэфармацыю], перашкаджаючы руху дыслакацый праз ферытавую матрыцу з чыстага жалеза).Хутчэй за ўсё, яны павялічваюць аб'ёмную цвёрдасць чыгуну проста дзякуючы сваёй вельмі высокай цвёрдасці і значнай аб'ёмнай долі, так што аб'ёмную цвёрдасць можна прыблізна вызначыць па правілу сумесяў.У любым выпадку, яны прапануюць цвёрдасць за кошт трываласці.Паколькі цвёрды сплав складае вялікую долю матэрыялу, белы чыгун можна разумна класіфікаваць як металакераміку.Белы чыгун занадта далікатны для выкарыстання ў многіх канструкцыйных элементах, але з добрай цвёрдасцю і ўстойлівасцю да ізаляцыі і адносна нізкім коштам ён знаходзіць прымяненне ў такіх прымяненнях, як паверхні зносу (крыльчатка і спіраль) шламавых помпаў, гільзаў абалонкі і пад'ёмніка ў шарыку млыны і млыны аўтагеннага памолу, шары і кольцы ў пульверызатары вугалю, а таксама зуб'і каўша экскаватара (хаця літая сярэдневугляродзістая мартэнсітная сталь больш распаўсюджаная для гэтага прымянення).

Цяжка астудзіць тоўстыя адліўкі дастаткова хутка, каб зацвярдзець расплаў як белы чыгун да канца.Тым не менш, хуткае астуджэнне можа быць выкарыстана для зацвярдзення абалонкі з белага чыгуну, пасля чаго астатняя частка астывае павольней, утвараючы ядро ​​з шэрага чыгуну.Атрыманая адліўка, званая аастуджаная адліўка, мае перавагі цвёрдай паверхні з некалькі больш жорсткай унутранай часткай.

Сплавы белага жалеза з высокім утрыманнем хрому дазваляюць адліваць масіўныя адліўкі (напрыклад, 10-тоннае крыльчатку), бо хром памяншае хуткасць астуджэння, неабходную для атрымання карбідаў праз вялікую таўшчыню матэрыялу.Хром таксама вырабляе карбіды з уражлівай устойлівасцю да ізаляцыі.Гэтыя сплавы з высокім утрыманнем хрому тлумачаць сваю высокую цвёрдасць прысутнасцю карбідаў хрому.Асноўнай формай гэтых карбідаў з'яўляюцца эўтэктычныя або першасныя М₇C₃карбіды, дзе "М" азначае жалеза або хром і можа вар'іравацца ў залежнасці ад складу сплаву.Эўтэктычныя карбіды ўтвараюцца ў выглядзе пучкоў полых шасцікутных стрыжняў і растуць перпендыкулярна шасцікутнай базальнай плоскасці.Цвёрдасць гэтых карбідаў знаходзіцца ў дыяпазоне 1500-1800HV.

Коўны чыгун

Каваны чыгун пачынаецца як адліўка з белага чыгуну, якая затым падвяргаецца тэрмічнай апрацоўцы на працягу аднаго-двух дзён пры тэмпературы каля 950 °C (1740 °F), а затым астуджаецца на працягу аднаго-двух дзён.У выніку вуглярод у карбідзе жалеза ператвараецца ў графіт і ферыт плюс вуглярод (аўстэніт).Павольны працэс дазваляе павярхоўнаму нацяжэнню фармаваць графіт у сферычныя часціцы, а не ў шматкі.З-за меншага суадносін бакоў сфероіды адносна кароткія і далёкія адзін ад аднаго, і маюць меншае папярочнае сячэнне ў параўнанні з расколінай або фанонам, якія распаўсюджваюцца.Яны таксама маюць тупыя межы, у адрозненне ад шматкоў, што здымае праблемы з канцэнтрацыяй напружання, выяўленыя ў шэрым чыгуне.У цэлым каваны чыгун па ўласцівасцях больш падобны на мяккую сталь.Існуе абмежаванне таго, наколькі вялікая дэталь можа быць адліта з каванага чыгуну, бо ён зроблены з белага чыгуну.

Каўкі чыгун