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

данного участка отливки в форме. Так как массивные и тонкие

с пластинчатой формой графита, используемый в литом состоя­ нии и не подвергаемый специальной термической или химико­ термической упрочняющей обработке. Иногда закалке подвер­ гают тонкий поверхностный слой на отдельных участках отливки, но основная масса ее металла сохраняет структуру литого состояния.

Если ограничиться только марками обычного машинострои­ тельного чугуна с пластинчатой формой графита и микрострук­ турами, получающимися непосредственно при литье, то в каче­ стве обобщенного критерия, определяющего упругопластиче­ ские свойства этого чугуна, может быть принята его прочность Ов при растяжении.

Для выяснения механических свойств чугуна различных марок при температуре 20° С были проведены испытания 1 на растяжение и сжатие образцов диаметром 12 мм. Образцы вы­ тачивали из отлитых в песчаной форме цилиндрических заго­ товок диаметром 30 и 100 мм, причем у последних на расстоя­ нии, равном половине радиуса от центра отливки. Для изготов­ ления заготовок использовали чугун различных марок (от СЧ 12-28 до СЧ 35-56). Химический состав чугуна приведен в табл. 3, а его прочностные свойства и структура — в табл. 4.

1 Испытания проводил А. В. Дроздов.

40

* Приведена средняя длина наибольших графитовых включений, определяемая со­ гласно ГОСТ 3443—57.

полученные для образцов одной группы, т. е. изготовленных из чугуна одной марки и заготовок одинакового диаметра, опре­ деляли их средние значения. Следует отметить, что отклонение данных, полученных на отдельных образцах, от средних значе­ ний для образцов одной группы были очень небольшими.

Испытания показали, что упругая деформация чугуна всех марок от напряжений сжатия достаточно хорошо описывается линейной зависимостью. Поэтому упругие свойства при сжатии характеризовались модулем упругости сжатия Ес.

Пластические деформации, а также упругая деформация чугуна при растяжении существенно нелинейно зависят от дей­ ствующего напряжения. Построение для них обобщенных гра­ фиков в зависимости от предела прочности при растяжении ов производили следующим образом. Для каждой заранее выбран­ ной величины деформации определяли напряжение, при котором образцы данной группы достигали ее в процессе нагружения, после чего строили график изменения этого напряжения в зави­ симости от Ов. В некоторых случаях, например для малых пла­ стических деформаций, более удобно было задаваться не дефор­ мацией, а напряжением и строить график деформации, которая

чения модуля упругости Е с при сжатии в зависимости от преде­

ла прочности чугуна при растяжении ав.

41

Рнс. 15. Упругая деформация еу чугуна различных ма­ рок прн растяжении и модуль упругости £ с при сжатии:

Рис. 16. Пластическая деформация еп чугуна различных марок при растяжении и сжатии:

42

На рис. 16,о представлены кривые напряжений для пласти­ ческой деформации при растяжении, а на рис. 16,6 — для пла­ стической деформации при сжатии.

Рис. 17 Пластическая деформация чугуна различ­

различных групп образцов, на рис. 15 и 16 приведены экспери­

ства всех остальных со свойства­ ми этого чугуна. Наиболее распространенным чугуном, из кото­

рого изготовляется большинство машиностроительных деталей, является СЧ 21-40, поэтому в качестве эталонного был принят

тии (штриховые).

Кривые рис. 18 наглядно иллюстрируют влияние, оказывае­ мое возникающей около графитовых включений концентрацией

43

напряжений на пластические свойства чугуна. Пользуясь дан­ ными, приведенными в разделе 1, рассмотрим характер измене­ ния кривой пластической деформации чугуна по мере увеличе­ ния номинальных напряжений растяжения.

Предположим на основании рис. 10 и 12, что предел текучести металлической основы чугуна равен стт = 500 МН/м2, и, пользуясь кривыми рис. 4, примем коэффициент концентрации равным Аг0= Ю . Если бы около графитовых включений отсут­ ствовали напряжения второго рода, то пластическая деформа­ ция чугуна началась бы только после достижения номиналь­ ными напряжениями растяжения величины

онр = - ^ = 5 0 МН/м2.

«го

Однако напряжения второго рода создают в металлической основе чугуна настолько большие исходные напряжения, что пластическая его деформация начинается при действии значи­ тельно меньших напряжений первого рода. Практически можно считать, что она, как и упругая деформация чугуна, начинается от нулевого напряжения первого рода. В то же время на рис. 18 видно, что для напряжений меньше 30 МН/м2 пластическая деформация эталонного чугуна мала.

Объясняется это следующим. В чугуне всегда имеется лишь небольшой процент графитовых включений, у которых попереч­

чески деформироваться именно около этих графитовых включе­ ний. Но поскольку количество этих включений небольшое, то они мало влияют на общую пластическую деформацию чугуна.

текучести от и начинает пластически деформироваться метал­ лическая основа. В результате пластическая деформация чугуна с ростом напряжения возрастает постепенно (рис. 18), а не сра­ зу после достижения определенного предела текучести от, как это имеет место у стали (см. рис. 12 и 8) .

Как известно, при нагружении и разгрузке чугун обладает значительно большей петлей гистерезиса, чем сталь. Происхо­ дит это также из-за наличия концентрации напряжений в чугуне около графитовых включений. Из графиков рис. 10 видно, если учесть упрочнение стали при ее предварительном пластическом деформировании, а также эффект Баушингера, что максималь­ ная деформация стали, которая может происходить упруго, соответствует изменению напряжения не больше чем на вели­

44

основная пластическая деформация, чугун в дальнейшем можно упруго разгружать, а затем снова подвергать упругому нагру­ жению только в случае, если при этом изменение номинальных напряжений будет происходить в пределах величины

изойдут пластические деформации около отдельных графитовых включений. Так, например, после растяжения до номинального

40 МН/м2. Дальнейшее уменьшение растягивающей нагрузки вы­ зовет в нем пластическую деформацию сжатия, хотя сжимаю­ щая нагрузка при этом полностью отсутствует. Пластическая деформация сжатия будет происходить около графитовых включений (см. рис. 7, е) за счет энергии, освобождающейся

при снижении напряжений растяжения (разгрузке) в остальных участках металлической основы чугуна, где нет концентрации напряжений и где напряжения близки по величине к номиналь­ ным напряжениям растяжения о„-

Анализ кривых зависимости деформации от напряжения, построенных по кривым рис. 15— 17 для чугуна с различным пределом прочности при растяжении ств, показал, что если орди­ наты этих кривых, т. е. величины действующих напряжений, умножить на некоторый постоянный коэффициент k, то полу­

ченные новые кривые будут мало отличаться от соответствую­ щих им кривых эталонного чугуна. Величина коэффициента k

различна для каждого вида деформации и зависит только от предела прочности при растяжении ов. В табл. 5 приведены зна-

Т А Б Л И Ц А 5

45

чения коэффициентов k при изменении предела прочности чу­

гуна On в широком интервале от 100 до 350 МН/м2.

Для наглядности на рис. 19 приведены зоны, в которые укладываются все кривые, построенные в координатах «напря­ жение ko — деформация е» при указанном диапазоне изменения сгв. Зона 1 соответствует упругой, а зона 2 — пластической де­ формации при растяжении, зона 3 — пластической деформации

при сжатии.

Использование коэффициентов k упрощает задание упруго­

пластических свойств чугуна при расчете напряжений, возни­

чугуна различно при разной тем­ пературе и пока мало изучено. Поэтому по кривой охлаждения невозможно определить прочностные свойства данного участка отливки даже для чугуна заданного химического состава. В то же время для заранее отобранных наиболее характерных усло­ вий охлаждения различных участков отливок прочностные свой­ ства чугуна можно определить экспериментально.

Наиболее характерной конфигурацией большинства элемен­ тов отливок является плоская стенка. Из теории теплопередач известно, что при охлаждении в песчаной форме без холодиль­ ников отливка длинного цилиндра охлаждается в зоне высоких

стенки отливки. Так как марка чугуна определяется при испы­ тании образцов из стандартных заготовок диаметром 30 мм, отлитых в песчаную форму, то при построении кривых рис. 20

46

принималось, что таким заготовкам соответствует плоская стен­ ка отливок толщиной 15 мм.

Кривые рис. 20 позволяют приближенно оценить возможное изменение прочностных свойств чугуна данной марки в пределах одной отливки.

Кривые построены для отливок массой до 1000 кг. В отлив­ ках большей массы прочность чугуна при прочих равных усло­ виях снижается еще примерно на 10%. Особенно заметно

Рис. 20. Зависимость предела прочности при растяжении чугуна различных марок от толщины стенок отливки

увеличение массы отливок сказывается на снижении прочности стенок, толщина которых до 30 мм.

Для определения с помощью рис. 20 предела прочности металла в различных массивных участках отливок вместо вели­ чины /і можно пользоваться приведенной толщиной Н этих мас­

сивных участков, рассчитываемой по формуле (146). Естествен­ но, что это допустимо только в случаях, когда около массивных

47

Для расчета напряжений в отливках необходимо знать свойства чугуна не только при 20° С, но и при повышенной тем­ пературе. Прежде всего рассмотрим изменение упругих свойств чугуна с повышением температуры.

Измерение упругих деформаций чугуна при повышенной температуре представляет значительные трудности. Обычно из­

таллов резко возрастает, и это затрудняет проведение достаточ­ но точных измерений. Наиболее точный результат получается при использовании динамического способа определения модуля упругости резонансным методом. Но этот метод хорош для до­ статочно однородных металлов типа сталей, у которых модуль упругости при растяжении и сжатии одинаков. У чугуна же уп­ ругие свойства при растяжении и сжатии различны. Кроме того, по мере увеличения нагрузки ври растяжении, истинный модуль упругости чугуна уменьшается, а резонансным методом определяется только модуль упругости материала при напря­ жениях, близких к нулю.

Все это затрудняет определение истинных упругих свойств чугуна даже и резонансным методом. Однако этот метод позво­ ляет достаточно точно установить относительное изменение измеряемой величины в зависимости от температуры испытания. В чугуне резонансным методом определяется некоторый сред­ ний модуль упругости. Но с большой вероятностью можно предположить, что с повышением температуры относительное изменение упругих свойств чугуна при растяжении будет таким же, как и относительное изменение его упругих свойств при сжатии. Тогда, используя данные по упругим свойствам чугуна при 20° С и зная относительное их изменение с температурой, можно определить его упругие свойства при любой данной температуре.

Сопоставление данных, полученных при определении резо­ нансным методом динамического модуля упругости чугуна различных марок (от СЧ 15-32 до СЧ 28-48), показывает, что практически для всех исследованных марок относительное его изменение в зависимости от температуры одинаково [11]. Только для чугуна СЧ 15—32 в зоне температур 600—700° С наблю­ дается несколько меньшее падение модуля упругости, чем

учугуна остальных марок.

Врезультате обработки указанных данных была получена следующая зависимость относительного изменения модуля упру­ гости чугуна в зависимости от температуры:

Ео

48

глядно иллюстрируют данные (рис. 21), полученные С. А. Шев­ чуком. Повышение температуры до 400° С почти не сказывается

пластической деформацией. С понижением температуры плас­ тичность металла резко уменьшается и различие величин темпе­ ратурных деформаций феррита и цементита уже не компенси­ руется пластической деформацией, а создает между ними темпе­ ратурные напряжения.

Для оценки различия температурных деформаций феррита и цементита был проведен следующий эксперимент. Из чугуна СЧ 24-44 в песчаной форме отливали образцы диаметром 5 мм, имевшие сквозной отбел. Часть образцов отжигали до получе­ ния в них ферритной структуры, после чего на оптическом дила­ тометре определяли температурную деформацию образцов, имевших как отбеленную, так и ферритную структуру. Кроме того, температурную деформацию измеряли на образце, выре­ занном из чугунной плиты толщиной 25 мм, имевшей перлитную структуру.

ных деформаций б образцов с отбеленной или перлитной струк­ турой по отношению к деформации образцов с ферритной струк­ турой по мере их охлаждения с 650 до 20° С.