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

электролитической меди (рис. 11). По горизонтальной оси на графике отложена величина пластической деформации еп, созда­ вавшейся при предварительном растяжении. Кривая 1 соответ­

ствует величине предела текучести от при повторном растяжении, а кривая 2 — при сжатии. Кроме того, на график нанесены кри­ вые изменения предела пропорциональности при растяжении 3

ипри сжатии 4. Предел пропорциональности соответствует на­

пряжению, до которого можно считать справедливым закон Гука,

ипримерно характеризует упругие свойства материала. Из гра­

отжигали при температуре 900° С для получения более грубой структуры пер­ лита, аналогичной перлиту чугуна, после чего проводили различ­

ные испытания при растяжении.

Прежде всего была определена диаграмма растяжения этой стали в координатах номинальное напряжение — относительная

там же штриховой кривой 2. Истинные напряжения рассчиты­

вали с учетом сужения поперечного сечения образца, происходя­ щего в процессе его растяжения. Начальную площадь попереч­ ного сечения образца обозначали через F0, а минимальную пло­ щадь в каждый данный момент через F. Если в данный момент

образец растягивался силой Q, то номинальные напряжения определялись как стн = — , а истинные как а = — . Истинную

относительную деформацию определяли по формуле е =

30

Как видно из рис. 12, а, предел текучести исследуемой стали

был равен ат = 435 МН/м2, а номинальный предел прочности Ов ~ 790 МН/м2. Максимальное истинное напряжение, при

котором происходило разрушение стали, от 1220 МН/м2, а максимальная истинная деформация ет « 87%.

31

подвергали растяжению вплоть до разрушения. Другие образцы

Третьи же образцы подвергали в течение 2 ч отжигу при 250° С, после чего тоже растягивали до разрушения. Диаграммы рас­ тяжения всех трех групп образцов представлены на рис. 12, б. Первой группе соответствует кривая 1, второй — кривая 2, а третьей — кривая 3.

Образцы первой группы, подвергавшиеся повторному растя­ жению сразу после разгрузки, начинали пластически деформи­

ной в процессе первого нагружения.

Испытание образцов второй группы, пролежавших 200 ч при 20° С, показало, что новый предел их текучести при втором нагружении получился точно таким же, как и у образцов первой группы. Следовательно, вылеживание не повысило предела текучести пластически деформированной стали 60С2.

Предел упругости при испытании не определяли, но о про­ исходящих в процессе вылеживания при температуре 20° С изменениях структуры пластически деформированной стали

деформироваться так же, как образцы первой группы.

Для проверки влияния предварительной пластической дефор­ мации стали на ее упрочнение при отжиге часть образцов из стали 60С2 была подвергнута отжигу при 250° С без предвари­ тельного пластического деформирования. Как и следовало ожи­ дать, при растяжении такие образцы после отжига деформи­ руются точно так же, как образцы первой группы.

Эксперименты показали, что сталь 60С2, а следовательно, можно считать и металлическая основа обычного серого чугуна ведет себя при пластическом деформировании и отжиге так же, как среднеуглеродистая сталь, испытанная в работе [46].

32

Пока рассматривалась пластическая деформация стали, происходящая в процессе ее нагружения. Но коробление отли­ вок чаще всего вызывается пластической деформацией, проис­ ходящей с течением времени без увеличения действующей на­ грузки. Поэтому необходимо рассмотреть пластическую дефор­ мацию стали, связанную с релаксацией имеющихся в ней напряжений.

Исследование релаксации напряжений в проволоке из стали, соответствующей марке У8ГА, было выполнено в работе [51]. Испытания проводили при различной температуре от 22 до

Рис. 13. Кривые релаксации напряжений стали

чальных напряжений оо за 1000 ч испытания при 22° С представ­ лен сплошной кривой 1 на рис. 13, а в зависимости от отноше­ ния сто/сгвТочка Е на кривой соответствует случаю, когда вели­

чина исходного напряжения равнялась пределу упругости. Как видно из кривой 1 на рис. 13, а, процент снижения на­

пряжений в процессе релаксации сильно зависит от начальной их величины. Так, например, при начальных напряжениях Оо, меньших 0,5 ов, их релаксация практически отсутствует. С при­ ближением величин исходных напряжений к пределу упругости процент их релаксации резко возрастает и продолжает расти по мере увеличения напряжений вплоть до а0 = 0,95 ов.

Степень релаксации напряжений зависит от упруго-пласти­ ческих свойств материала, но прежде всего от его упругих

свойств [51]. Штриховой линией 2 на рис. 13, а показано изме­

нение процента релаксации напряжений в зависимости от отно­ шения оо/оп для второй группы образцов, которые были изго­

товлены из пластически деформированной при протягивании, но не отпущенной стальной проволоки [51]. Иопытания проводились

вая 1) была меньше, чем у образцов второй группы (кривая 2).

Особенно это заметно для сравнительно небольшой величины исходных напряжений, когда отношение оо/<Ув равно примерно 0,5—0,6. В то же время для напряжений ао, превышающих пре­

дел упругости образцов первой группы, величина релаксации у них оказалась большей, чем у образцов второй группы. Следо­ вательно, как только в образцах из отпущенной стали (первая группа) в процессе их нагружения перед началом испытания на релаксацию возникает пластическая деформация, сразу же резко увеличивается процент снижения исходных напряжений ао за вы­

бранное время иопытания.

В интенсивно пластически деформированной при протягива­ нии и затем неотпущенной стали (образцы второй группы) возникновение пластической деформации во время нагружения значительно меньше сказывается на величине релаксации на­ чальных напряжений.

Однако повышенная релаксация напряжений в образцах из отпущенной стали при больших исходных напряжениях о0 наблюдается главным образом в первые минуты испытания. Так, например, даже увеличение времени нагружения образцов с 2 до 4 мин значительно уменьшает разницу между величиной

(см. рис. 12,6), также вызвала появление на кривой площадки текучести.

34

Таким образом, разница между кривыми 1 и 2 рис. 13, а для

напряжений, вызывающих пластические деформации, в них не успевает закончиться процесс кратковременной текучести (для­ щийся минуты).

В результате соответствующая кривой 1 (рис. 13, а) величи­

на релаксации напряжений в образцах из отпущенной стали при больших оо включает в себя частично и кратковременную текучесть.

Сама же релаксация напряжений в отпущенной стали, происходящая в течение длительного времени, будет для боль­ ших значений ою мало отличаться от релаксации в неотпущен­ ной стали.

Постепенное уменьшение релаксации напряжений в процес­ се испытания образцов происходит под действием двух процес­ сов, вызываемых происходящей в металле пластической деформацией,— уменьшения сохранившихся напряжений и по­ вышения релаксационной стойкости металла. Представляет ин­ терес установить долю влияния каждого из этих процессов на постепенное прекращение релаксации напряжений в случае дли­ тельного вылеживания при температуре 20° С.

Судя по характеру влияния, оказываемого временем вылежи­ вания пластически деформированного металла на изменение его упругих свойств (см. рис. 9 ,а), можно ожидать, что релак­ сация напряжений с течением времени в значительной степени определяется упрочнением металла. Ведь при релаксации имеются все условия для значительного повышения предела упругости металла, обеспечивающего рост сопротивления даль­ нейшему пластическому деформированию. Во-первых, проис­ ходит пластическая деформация металла, причем вначале бо­ лее интенсивная. Во-вторых, релаксация происходит за доста­ точно продолжительный промежуток времени, в течение кото­ рого структура пластически деформированных участков ме­ талла успевает стабилизироваться и повысить свои упругие свойства. Кроме того, можно предполагать, что происходящая при релаксации медленная пластическая деформация, вызывая упрочнение металла, в то же время меньше ухудшает его упру­ гие свойства, чем быстрая пластическая деформация, возникаю­ щая в процессе нагружения.

Для оценки доли влияния оказываемого снижением напря­ жений и упрочнением металла на уменьшение релаксации напря­ жений, была проведена следующая обработка данных работы [51]. Представленная на рис. 13, а штриховая кривая 3 показы­

вает, каким был бы процент снижения напряжений в образцах первой группы за время между 1000 и 2000 ч их испытания на релаксацию при 22° С, если бы величина этого процента зави­

села только от величины напряжений, действующих на образец в данный момент, и не зависела от упрочнения металла.

Построение кривой 3 производили следующим образом. Для выбранного начального напряжения ао по кривой 1 определяли

величину Дао его снижения за первые 1000 ч испытания на ре­

Штриховая кривая 4 на рис. 13, а соответствует фактической

релаксации напряжений у этой группы образцов за время меж­ ду 1000 и 2000 ч испытания, полученной в работе [51].

Разница ординат расчетной кривой 3 и фактической кривой 4

характеризует уменьшение релаксации за рассматриваемый

напряжений. Сравнивая эту разницу ординат с разницей орди­ нат кривых 1 и 3, характеризующей влияние, оказываемое на

прекращение релаксации только происходящим в процессе са­ мой релаксации снижением напряжений, видно, что повышение

Приведенные в работе [51] данные позволяют выяснить так­ же, насколько изменяется релаксация напряжений в стали при небольшом повышении температуры (примерно до 100° С). Это представляет интерес для анализа низкотемпературного отжига чугуна. Так как отжиг обычно продолжается примерно 2 ч, то была проанализирована релаксация, происходящая за это вре­ мя. На рис. 13,6 кривая 1 соответствует проценту релаксации

напряжений в образцах первой группы за 2 ч испытания при 22° С, а кривая 2 — за то же время их испытания при темпера­

туре 100° С.

При сопоставлении этих кривых видно, что даже сравни­ тельно небольшой нагрев существенно повышает релаксацию напряжений в стали. Правда, необходимо учитывать, что это относится к достаточно большим напряжениям, для которых

> 0 ,5 .

<7В

Кроме анализа имеющихся литературных данных, были про­ ведены испытания стали 60С2 на релаксацию напряжений при ее растяжении. Сначала была исследована релаксация этой стали в течение 200 ч при 20° С после различных видов ее пред­

36

не начальных напряжений. Результаты испытаний групп 1 и 2 (табл. 2) показывают, что с увеличением действующего напря­ жения процент релаксации увеличивается. Это еще раз под­ тверждает очень важное свойство стали, у которой с ростом ис­ ходных напряжений релаксация настолько возрастает, что уве­

пластического состояния стали увеличение процента релаксации с ростом напряжений может быть различным, но оно всегда имеет место. Как будет показано в разделе 5, именно изменение процента релаксации в зависимости от величины действующего напряжения является одной из основных причин коробления отливок.

Целью 3-й группы испытаний было выяснить влияние пред­ варительной пластической деформации стали от временной ее перегрузки повышенными напряжениями на последующую ре­ лаксацию. С этой целью образцы предварительно нагружали до а = 600 МН/м2 и после выдержки в течение 3 мин разгружали. Затем их нагружали до исходного напряжения со = 400 МН/м2

и исследовали его релаксацию. При сравнении результатов 1 и 3-й групп испытания видно, что предварительная пластическая деформация от временной перегрузки заметно уменьшает по­ следующую релаксацию напряжений, но не устраняет ее полностью.

4 и 5-я группы испытаний показывают, что когда после предварительной пластической деформации осуществляют дли­ тельное вылеживание стали при 20° С или кратковременный отжиг при 250° С, то релаксация полностью прекращается. При­ чины этого ясны из сказанного ранее о значительном повыше­ нии предела упругости стали при такой ее обработке.

Наряду с описанными испытаниями проводили также иссле­ дования релаксации напряжений в стали 60С2 при повышенной температуре, характерной для стабилизирующего отжига чугун­ ных отливок. Данные рис. 13,6 свидетельствуют о том, что большие напряжения релаксируют весьма интенсивно уже при

37

температуре 100° С. Необходимо было выяснить, как происходит релаксация сравнительно небольших начальных напряжений, со­

при различной температуре. Как видно, даже при температуре 300° С релаксация таких напряжений ничтожно мала и только для температур выше 400° С она резко возрастает, достигая при 600° С величины 80%.

Лб0/ё 0,%

100

во

ВО

40

20

Рис. !4. Кривые релаксации напряжений в стали 60С2

Следовательно, отжиг при 500—600°С обеспечивает значи­ тельное снижение не только больших, но и сравнительно малых напряжений.

Процент релаксации напряжений в этой стали за 2 ч испы­ тания при температуре около 550°С и различных начальных напряжениях о0 показан кривой 1 на рис. 14,6. Во всем иссле­

дованном диапазоне напряжений, начиная с сто = 20 МН/м2, процент релаксации превышает 60%, причем и в этом случае величина процента релаксации увеличивается с ростом исходных напряжений.

Так как при температуре 550°С происходит интенсивное разупрочнение стали, необходимо было выяснить, уменьшается ли релаксация напряжений в таких условиях только за счет резкого снижения этих напряжений или происходит некоторое упрочнение металла в процессе релаксации. Для этого, поль­ зуясь кривой 1 рис. 14, б, построили штриховую кривую 2, ха­

рактеризующую процент релаксации напряжений за промежуток времени с 2 до 4 ч испытания в случае, когда упрочнение отсут­ ствует и на релаксацию влияет только снижение действующего

38

напряжения. Построение кривой 2 на рис. 14,6 производилось так же, как и кривой 3 на рис. 13, а. Экспериментально опреде­

ленный процент релаксации напряжений за время с 2 до 4 ч испытания при температуре 550° С представлен на рис. 14,6 кривой 3. Значительная разница ординат кривых 2 и 3 рис. 14,6

свидетельствует о возникновении существенного упрочнения ме­ талла в процессе релаксации напряжений даже при темпера­ туре 550° С.

Следовательно, отжиг при 500—600° С вызывает в стали следующие процессы. Прежде всего интенсивно устраняется упрочнение, имевшееся при наличии предыдущей пластической деформации. При достаточном времени выдержки при этой тем­ пературе пластические свойства стали практически возвращают­

600° С сталь обладает повышенной пластичностью, в результате чего резко уменьшаются бывшие в ней остаточные напряжения (рис. 14). Но одновременно с этим пластическая деформация, связанная с релаксацией напряжений в процессе отжига, вызы­ вает определенное упрочнение металла.

Таким образом, существует принципиальная разница между отжигом при 500—600° С стали пластически деформированной, но не находящейся под действием напряжений первого рода, и отжигом стали, в которой имеются напряжения первого рода (например, остаточные). В первом случае происходит только разупрочнение стали, а во втором — кроме резкого снижения бывших в ней остаточных напряжений возникает еще и некото­ рое упрочнение металла, дополнительно способствующее умень­ шению релаксации остаточных напряжений, сохранившихся после отжига, когда металл имеет уже температуру 20° С. Степень влияния этого упрочнения на последующую релаксацию напряжений более подробно рассмотрена в разделе 15.

Анализ релаксации напряжений в стали при температуре 500—600° С показал ошибочность широко распространенного мнения, что стабилизация отливок после отжига при этой тем­ пературе происходит только за счет снижения имевшихся в них остаточных напряжений, так как такой метод старения по су­ ществующим представлениям не способен увеличить релаксаци­ онную стойкость металла. Правда, снижение напряжений при этом методе старения играет решающую роль в стабилизации отливок, но, как будет показано в разделе 15, значительное влияние на стабилизацию размеров оказывает и возникающее при таком отжиге упрочнение металла.

Рассмотрение в данном разделе некоторых свойств стали позволяет оценить влияние, оказываемое различными фактора­ ми на свойства металлической основы чугуна, а следовательно, и на его свойства в целом.

39