книги из ГПНТБ / Коцюбинский О.Ю. Стабилизация размеров чугунных отливок

рода, существующие около графитовых включений. Но даже с учетом концентрации напряжений второго рода имеющиеся

[36]. По-видимому, методические особенности измерений прове­ денного в указанной работе эксперимента не позволили исследо­ вателям зафиксировать фактические максимальные значения концентрации напряжений, получающиеся непосредственно на поверхности полости, заполненной графитовым включением. В частности, такие измерения затрудняются быстрым уменьше­ нием концентрации напряжений по мере удаления от поверхно­ сти концентратора. Так, например, ранее было показано (см. рис. 5), что уже на расстоянии 2 мкм от поверхности кон­ центратора степень концентрации напряжений уменьшается вдвое.

Рассмотрим влияние, оказываемое напряжениями первого рода на напряжения второго рода, возникающие около графи­ товых включений. Так как величина напряжений второго рода зависит не от действия какой-либо заданной силы, а от соот­ ношения деформаций металла и графита, то любое изменение деформации металлической основы от напряжений первого рода должно сказаться на напряжениях второго рода.

Для простоты рассмотрим изменение напряжений около графитового включения шаровой формы, причем будем считать, что в качестве напряжений первого рода на наружной поверх­ ности чугуна создается всестороннее растяжение, равное по ве­ личине стп. Дополнительные тангенциальные напряжения на по­ верхности графитового включения, создаваемые при этом напряжениями стп, будут равны аі = 1,5 ап. Но одновременно под

действием напряжений ап произойдет растяжение металличе­ ской основы около графитового включения и бывшее там давле­ ние <7о уменьшится до величины qь равной

зультате максимальное напряжение ат, которое будет действо­

20

для Er = ІО4 МН/м2. Хотя с увеличением напряжений первого

рода (оп) суммарное напряжение (стт ) около графитового включения тоже увеличивается, но абсолютная величина напря­

деформация металлической основы от напряжений первого рода достигла около графитового включения величины, при которой графит перестает плотно приле­

гать к металлу и давление qі = 0.

После достижения суммарным напряжением от предела текуче­

сти металла на поверхности ша­ ровой полости возникает пласти­ ческая деформация. Поэтому фак­ тическое изменение ат с увеличе­

нием Оп будет происходить только вначале, по кривой 1, а затем по кривой 3. Если начиная с точки А

прекратить дальнейшее увеличе­ ние стп и произвести разгрузку, то при этом ат будет изменяться по кривой 4 и после полной разгруз­

ки на поверхности металла около графитового включения сохра­ нятся остаточные напряжения сжатия —сто.

Из рассмотренного примера видно, что временным нагружени­

ем металла напряжениями первого рода, совпадающими по зна­ ку с бывшими в нем напряжениями второго рода, можно выз­ вать локальную пластическую деформацию металла в местах концентрации этих напряжений и не только уменьшить, но даже изменить знак остаточных напряжений, сохраняющихся на этих участках после разгрузки. Сказанное в полной мере относится и к чугуну с пластинчатой формой графита.

На рис. 7 схематически показаны эпюры напряжений, возни­ кающих в металлической основе чугуна около закругленных краев графитового включения пластинчатой формы в различные

рез ат здесь также обозначена максимальная величина

возникающего напряжения, а через щ — величина напряжения

максимальной и соответствовать приблизительно значению kro.

21

При увеличении нагрузки, когда ат превысит предел текуче­

сти металлической основы, эпюра напряжений около графитово­ го включения будет иметь вид, изображенный на рис. 7, б.

Штриховой линией там нанесена эпюра напряжений, которая была бы при чисто упругой деформации металла, сплошной — фактическое распределение напряжений с учетом пластических

Рнс. 7. Схемы изменения эпюры напряжений около края графитового включения пластинчатой формы

деформаций. Фактическая концентрация напряжений в этом случае будет уже значительно меньше величины kr0, которая со­

ответствует чисто упругой деформации металла.

Согласно исследованиям различных авторов, объемное напряженное состояние металла, получающееся около концен­ траторов напряжений, аналогичных графитовому включению, не препятствует возникновению на этих участках пластической деформации. Так, например, авторами работы [34] были опре­ делены главные напряжения, возникающие при растяжении около поверхности полости, имеющей вид плоского эллипсоида вращения. Проведенные ими расчеты показали, что по сравне­ нию с максимальным напряжением два других главных напря­ жения малы и не превышают 0,1 доли максимального. Это под­

22

тверждает возможность возникновения пластической деформа­ ции металла около концентратора напряжений, так как затруд­ нена она бывает только при наличии равномерного или почти равномерного всестороннего растяжения или сжатия. Кроме того, проведенные В. И. Герасимовым исследования концентра­ ции напряжений около отверстий за пределом упругости и в ус­ ловиях ползучести экспериментально подтвердили наличие около них значительной пластической деформации. Указанные экспе­ рименты, в частности, показали, что по мере увеличения дей­ ствующего напряжения около концентратора накапливается местная пластическая деформация, создавая на этих участках концентрацию пластической деформации и уменьшая, соответ­ ственно, фактическую концентрацию напряжений.

Если после нагружения до состояния, характеризующегося эпюрой рис. 7, б, начать разгрузку, то последняя, как известно,

будет происходить в соответствии с зависимостями, справедли­ выми для упругого тела. Поэтому при разгрузке напряжения будут уменьшаться в соответствии с эпюрой, которая имеет тот

вычитании из напряжений, бывших при максимальной нагрузке (верхняя штриховая линия), напряжений от упругой дефор­

на рис. 7, б. После полной разгрузки чугуна от напряжений пер­

том напряжений второго рода эта эпюра имеет вид, изображен­ ный сплошной линией на рис. 7, д. Сохранившаяся после

разгрузки концентрация напряжений является минимальной.

В случае слишком большой пластической деформации метал­ лической основы чугуна, возникшей при его нагружении, может оказаться, что максимальное напряжение после разгрузки будет

напряжений около графитового включения все равно останется большой. Правда, максимальным будет уже напряжение сжа­ тия, а не напряжения растяжения, как это было до нагружения. Последнее имеет весьма существенное значение при рассмот­ рении возможности возникновения пластической деформации чугуна в случае повторного его нагружения.

23

Рассмотрим теперь изменение концентрации напряжений около графитового включения, происходящее при их релаксации с течением времени. Ранее уже отмечалось, что, в зависимости от расположения графитового включения относительно направ­ ления действия напряжений первого рода, величина концентра­ ции этих напряжений может быть самой различной. Если сред­ няя величина действующих на чугун напряжений значительно меньше предела текучести от металлической основы, их релакса­ ция будет практически отсутствовать. Поэтому у графитовых включений, расположенных к направлению действия напряже­ ний первого рода так, что около них возникает небольшая кон­ центрация напряжений, величина этой концентрации с течением времени не изменится. Происходящая на других участках релак­ сация напряжений, которая приводит к общему снижению дей­ ствующих в чугуне напряжений первого рода, вызывает около рассматриваемого графитового включения лишь упругую де­ формацию и, как следствие, некоторое уменьшение абсолютной величины всех действующих напряжений.

Совершенно иначе скажется длительное вылеживание чугуна на поле напряжений около графитовых включений, у которых концентрация напряжений была большой. В качестве примера на рис. 7, г штриховой линией показана эпюра исходных напря­ жений, возникших как от напряжений второго рода, так и от остаточных напряжений первого рода, имевшихся на данном участке чугунной отливки. Получающаяся при этом концентра­

вид, изображенный на рис. 7, г сплошной линией, и концентра­

в месте их концентрации, а напряжения аю будут только немно­ го уменьшаться за счет упругой деформации от общего сниже­ ния средних напряжений, то всегда будет иметь место неравен­ ство kT< km. Аналогичный процесс произойдет при длительном

вылеживании чугуна и в местах значительной концентрации на­ пряжений второго рода, даже при отсутствии напряжений пер­ вого рода. Таким образом, при длительном вылеживании чугуна происходит уменьшение концентрации напряжений на всех участках, где эта концентрация достигала значительной вели­ чины. Там же, где концентрация напряжений была сравнительно небольшой, ее величина практически не изменится.

Проведенный анализ изменения концентрации напряжений около графитовых включений после временного нагружения (пе­ регрузки) или длительного вылеживания чугуна при темпера­ туре ~ 20°С показывает, что в обоих случаях концентрация напряжений уменьшается. Но при временном нагружении она

24

уменьшается только на участках, где напряжения совпадают с направлением действующей временной нагрузки, а при длитель­ ном вылеживании концентрация напряжений снижается около всех графитовых включений, где ее величина была достаточно

большой.

Следовательно, при использовании временного нагружения чугунных отливок для предотвращения последующего их короб­ ления, необходимо осуществлять это нагружение обязательно так, чтобы знак вызванных им дополнительных напряжений на большинстве участков отливки совпадал со знаком имевшихся там остаточных напряжений.

нове чугуна под действием различных факторов.

Как уже было отмечено, наличие графитовых включений, вызывающих концентрацию напряжений, приводит к тому, что в различных участках металлической основы чугуна одновре­ менно действуют самые различные напряжения от небольших до весьма значительных. В связи с этим необходимо выяснить пластические свойства металлической основы чугуна в широком интервале действующих напряжений, а также влияние, оказы­ ваемое на изменение этих свойств пластической деформацией и температурно-временной обработкой металла.

В первом приближении металлическую основу обычного серого чугуна можно рассматривать как сталь, легированную кремнием.

При растяжении или сжатии сталь вначале деформируется упруго, т. е. после снятия нагрузки в ней не остается заметных остаточных деформаций. Предельным напряжением, до которо­ го деформация стали считается упругой, или пределом ее упру­ гости cry называется такое напряжение, после разгрузки кото­ рого остаточная деформация равна 0,01%. При нагружении выше предела упругости зависимость деформации от напряжения может оставаться близкой к линейной, но возникающие при этом пластические деформации будут создавать после разгрузки остаточную деформацию, превышающую указанный предел. На­ пряжение, начиная с которого остаточная деформация будет равна 0,2%, называется пределом текучести ат (рис. 8). В ряде случаев после достижения предела текучести происходит пласти­ ческая деформация металла без увеличения напряжения, обра­ зуя на диаграмме растяжения (рис. 8) так называемую площад­ ку текучести. Но наличие площадки текучести не является обязательным и зависит от химического состава стали и ее со­ стояния (отожженная, закаленная и т. п.).

25

Вслучае нагружения стали напряжениями, превышающими

еепредел текучести ат (рис. 8), возникает значительная пласти­ ческая деформация, сохраняющаяся и после снятия нагрузки.

Важным свойством стали является упрочнение (наклеп), кото­ рое происходит при ее пластическом деформировании и повы­ шает сопротивление к возникновению значительной пластической деформации при повторном нагружении. Так, например, если растянуть сталь до напряжения од > <гт (рис. 8), а затем про­ извести разгрузку, то последняя будет происходить по линии AM почти параллельной линии ОС. Разгрузка происходит не строго

правлению с предварительным нагружением. Если после пред­ варительного растяжения осуществить сжатие стали, предел ее текучести может не только не возрасти, но даже оказаться мень­ ше исходной величины ох. Такое уменьшение предела текучести при повторном нагружении в противоположном направлении называется эффектом Баушингера.

Предварительное пластическое деформирование стали обыч­ но повышает и ее предел упругости. Но увеличение предела упругости происходит иначе, чем повышение предела текучести.

выдержка ее после этого в течение некоторого промежутка вре­ мени. Если повторное нагружение произвести сразу после раз­ грузки, то новый предел упругости может оказаться даже ниже первоначальной его величины, бывшей при первом нагружении.

26

Так, например, из опытов, произведенных Юингом * на мягкой стали (рис. 9, а), видно, что при повторном ее растяжении через 10 мин после пластической деформации (кривая 1) наблюдается

значительное отклонение зависимости между деформацией и напряжением от прямой линии, соответствующей чисто упругой деформации. Через 5 дней вылеживания после пластической деформации сталь обладает уже значительно лучшими упругими свойствами (кривая 2), а через 21 день вылеживания (кривая 3)

она практически полностью восстанавливает свои упругие свойства.

Особенно быстро упругие свойства стали после ее пластиче­ ского деформирования восстанавливаются при повышенной

Рис. 9. Диаграммы повторных растяжении стали

температуре, о чем свидетельствуют эксперименты, проведенные

в течение 4 мин был выдержан при температуре 100° С.

Весьма подробные исследования пластических свойств стали после предварительного ее пластического деформирования при­ ведены в работе [46]. Исследованию подвергали сталь, соответ­ ствующую марке 40Г с углеродом и марганцем на верхнем пределе. Часть испытаний проводили на стали в нормализован­ ном состоянии, обладавшей исходным пределом текучести от —

27

деформации еп, после чего определяли новый предел текучести этой стали при растяжении и сжатии. Ряд образцов после пред­ варительного пластического растяжения отжигали 1 ч при раз­

при растяжении и нагрева до различной температуры

при повторном нагружении, а на рис. 10, в и г — предела проч­

ности стали Ов при повторном растяжении. Сплошными линиями обозначены результаты испытаний при растяжении, а штри­ ховыми— результаты испытаний при сжатии. Кривые 1 относят­

ся к образцам, не подвергавшимся отжигу после предваритель­ ного растяжения, а кривые 2 и 3 — к образцам, отожженным

после растяжения соответственно при температуре 250 и 550° С. Как видно из кривых 1 рис. 10, предел текучести стали от

при повторном растяжении значительно возрастает с увеличе­ нием предварительной пластической деформации. В то же время предел прочности стали ав при повторном растяжении мало за­ висит от предыдущей пластической деформации стали. Предел текучести при сжатии, наоборот, резко (более чем в 2 раза) уменьшается при наличии даже небольшой предварительной пластической деформации растяжения (эффект Баушингера). Дальнейшее увеличение еп мало сказывается на величине пре­ дела текучести при сжатии.

Когда температура промежуточного отжига после предвари­ тельного пластического растяжения стали не превышала 150° С, результаты испытаний ат при повторном нагружении были практически такими же, как и у образцов без отжига [46]. Но отжиг при 250° С, как видно из кривых 2 рис. 10, существенно

28

изменяет пластические свойства стали. Прежде всего, такой от­ жиг заметно повышает предел текучести от стали при повтор­ ном растяжении.

Характерно, что при отсутствии предварительной пластиче­

степени предварительной пластической деформации епПо мере увеличения еп от нуля до 3—4% дополнительное увеличение стт после отжига при 250° С также увеличивается. При дальнейшем увеличении предварительной пластической деформации еп до­ бавка к От от отжига не возрастает, а остается постоянной. В испытаниях на сжатие промежуточный отжиг при 250° С су­ щественно уменьшает эффект Баушингера, а при больших значениях еп такой отжиг приводит вообще к ликвидации этого эффекта и стт становится равным величине, бывшей в стали до предварительного ее пластического деформирования растяже­ нием. Кроме того, отжиг при 250° С несколько повышает и пре­

рованной стали, как после отжига при 250° С, наблюдается и в случае отжига при температуре 350° С [46]. По мере дальнейшего повышения температуры отжига происходит уменьшение не только создаваемого им дополнительного упрочнения пластиче­ ски деформированной стали, но даже упрочнение от предвари­ тельной пластической деформации. В результате после отжига при 550° С (кривые 3 на рис. 10) сталь, особенно улучшенная, об­

ладает почти такими же пластическими свойствами, как и в ис­ ходном состоянии до первого растяжения (еп = 0).

Таким образом, отжиг при температуре 500—600° С ликви­ дирует упрочнение стали, возникшее в процессе предыдущей ее пластической деформации, а отжиг при температуре 200—300° С усиливает это упрочнение.

Интересно, что при испытании мягкой стали с низким содер­ жанием углерода (марки типа Сті), отпущенной после первого нагружения при 80° С, эффект Баушингера проявляется слабо или совсем отсутствует [46]. У этой стали с увеличением предва­ рительной пластической деформации растяжения растет и пре­ дел текучести при сжатии, но медленнее, чем предел текучести при растяжении. В то же время увеличение температуры нагре­ ва такой стали после первого нагружения до 250° С не повышает предела ее текучести по сравнению с отпуском при 80° С.

29