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

Как видно на рис. 22, максимальная разница между темпе­ ратурными деформациями цементита и феррита наблюдается при температуре — 200°С. При более высокой и более низкой температуре эта разница меньше. Объясняется это тем, что при температуре — 200° С происходит магнитное превращение це­ ментита, в результате чего резко изменяется его коэффициент линейного расширения.

Различие величин температурных деформаций цементита и феррита создает в перлите межфазовые напряжения, дости­ гающие максимума примерно при 200° С и снижающие ои пер­ литного чугуна в случае его рас­ тяжения при этой температуре.

Весьма существенно, что напря­ жения, возникающие из-за разли­ чия коэффициентов температур­ ного расширения, вызывают рас­ тяжение в наиболее хрупкой фа­ зе — цементите.

Температурные деформации перлита и феррита мало отлича­ ются между собой (кривая 2).

Зато различие между температур­ ными деформациями цементита

иперлита, характеризующееся

в отбеленных участках чугунных отливок дополнительных тем­ пературных напряжений растяжения. Поэтому наличие отбе­ ленных участков весьма нежелательно, так как они повышают

отливках с перлитной структурой больших остаточных напряже­ ний после полного их охлаждения. Как видно на рис. 22, раз­ ность ординат кривых 1 и 2 при 20° С мала.

Разрушение любого материала происходит после того, как достигается либо предельное напряжение, либо предельная деформация. Предельные значения напряжений и деформаций зависят не только от материала, но в очень большой степени от условий его нагружения. Так, например, наложение дополни­ тельного всестороннего сжатия значительно увеличивает пре­ дельную деформацию хрупких материалов. При повышенной температуре, когда происходит интенсивное пластическое тече­

50

ние металла, предельные значения напряжения и деформации сильно зависят от скорости нагружения. В случае быстрого нагружения, разрушение произойдет при большом напряжении, но малой деформации. Если же производить очень медленное нагружение и строго следить, чтобы скорость деформации не превысила заданной, то при достаточно высокой температуре можно обеспечить весьма большую пластическую деформацию металла без его разрушения.

При температуре ниже 400° С ползучесть чугуна мала, и поэтому величины предельных напряжений и деформаций, при которых происходит его разрушение, сохраняются практически постоянными в широком диапазоне скоростей нагружения, если, конечно, исключить ударную нагрузку. Для оценки прочностных

ционных напряжений в газовых баллонах, мостах и других кон­ струкциях, подвергающихся воздействию внешних нагрузок, заданной является действующая нагрузка. В случае же нерав­ номерного нагрева какой-либо конструкции заданной является температурная деформация отдельных ее элементов. Так как все элементы жестко соединены между собой, то для сохранения неразрывности деформации всех участков конструкции в ней возникают упругопластические деформации, компенсирующие неравномерность температурных деформаций отдельных ее эле­ ментов. Если эта неравномерность настолько велика, что ком­ пенсирующая ее упругопластическая деформация достигает предельного значения, происходит разрушение конструкции.

Неравномерное охлаждение отливок в форме вызывает в них остаточную деформацию, которая компенсируется упруго­ пластической деформацией металла отливки. Закономерности образования остаточной деформации в отливках будут подробно рассмотрены в разделе 10. Пока важно лишь отметить, что ве­ личина этой деформации определяется условиями охлаждения отливок в форме и для одной и той же отливки остается прак­ тически одинаковой при изготовлении ее из чугуна различных марок. Следовательно, чем больше предельная упругопластиче­ ская деформация у чугуна данной марки, тем меньше вероят­ ность разрушения изготовленной из него отливки при ее охлаждении в форме.

8р в зависимости от предела прочности чугуна при растяжении <Тв, видно, что и предельная деформация при сжатии в 5— 12 раз

щая от неравномерного охлаждения от­ ливки в форме, компенсируется суммарной упругопластической деформацией растяжения одних ее участков и сжатия других. Доля деформации растяжения в суммарной деформации зави­ сит от конструкции отливки и эпюры возникающих в ней напряжений. Для примера рассмотрим обычную трехзвенную ли­ тейную решетку, считая ее поперечины абсолютно жесткими.

Если площадь поперечного сечения сжатых стержней решет­ ки окажется несоизмеримо большей площади растянутого стержня, то остаточную деформацию отливки будет по суще­ ству компенсировать только упругопластическая деформация растяжения, так как напряжения сжатия будут ничтожно малы, и вызванной ими деформацией можно пренебречь. В этом слу­ чае максимальная остаточная деформация, которую способен компенсировать чугун отливки, равна его предельной деформа­ ции растяжения, изображенной на рис. 24, а.

В случае, когда площадь поперечного сечения сжатых стержней решетки, равна площади растянутого стержня, возни­ кающие в отливке напряжения растяжения и сжатия равны. Тогда максимальная остаточная деформация, которую способна компенсировать суммарная упругопластическая деформация растянутого и сжатых стержней к моменту достижения дефор­ мацией растяжения предельной величины, будет соответствовать кривой 2 на рис. 24, б.

Эта предельная деформация растяжения-сжатия значитель­ но больше, чем при чистом растяжении (рис. 24, а), и относи­ тельное ее изменение с увеличением ов намного меньше.

Когда площадь поперечного сечения сжатых стержней решетки в 2 раза меньше площади растянутого стержня, доля деформации сжатия в компенсации суммарной остаточной де­ формации отливки возрастет еще больше, так как напряжения сжатия будут в 2 раза превышать напряжения растяжения. Мак-

52

симальная остаточная деформация, которую чугун отливки спо­ собен компенсировать в этом случае, соответствует кривой 3 на рис. 24, б. Несмотря на значительный разброс точек, по кото­ рым построена кривая 3, общий уровень предельной упруго­

пластической деформации чугуна при этом намного выше, чем для кривой 2 рис. 24, б.

Таким образом, чем в большей степени напряжения сжатия участвуют в компенсации остаточной деформации, получив­ шейся в чугунной отливке, тем большую величину этой деформа­ ции может выдержать отливка без разрушения. Например, для случая, представленного кривой 3 на рис. 24,6, максимальная

остаточная деформация, которую способен компенсировать эта­ лонный чугун с Ов = 210 МН/м2, почти в 2,5 раза больше, чем для случая, представленного кривой 1 на рис. 24, а.

Рис. 24. Предельная суммарная деформация чу­ гуна различных марок при различных условиях нагружения отливки

При выборе марки чугуна, особенно для отливок сложной конфигурации, очень важно знать, насколько выбранный чугун увеличит или уменьшит опасность разрушения этой отливки при охлаждении в форме. Это особенно важно еще и потому, что за последние годы в связи с повышением эксплуатационных тре­ бований к деталям машин, стремятся делать отливки из более

53

прочного чугуна. А производственный опыт показывает, что та­ кие отливки более склонны к образованию трещин в процессе их изготовления.

За относительную меру опасности разрушения отливок при их изготовлении из данного чугуна можно принять отношение

точную деформацию отливки, а ет о — такая же деформация для эталонного чугуна с ов = 210 МН/м2). На рис. 24, в представ­ лены кривые изменения отношения гто/ет в зависимости от

предела прочности чугуна при растяжении ов, построенные на основании данных рис. 24, а и б. Номера кривых на рис. 24, в соответствуют номерам кривых рис. 24, а и б, на основании

которых они были построены.

Величина отношения ешо/ет характеризует, во сколько раз опасность разрушения отливки из данного чугуна больше или меньше по сравнению с такой же отливкой из эталонного чугуна

напряжений, возникающих в отливке, опасность ее разрушения при изготовлении из более прочного чугуна может либо суще­ ственно возрастать (кривая 1), либо практически не меняться

(кривая 3).

Из рис. 24, б следует, что при наиболее благоприятном

соотношении между напряжениями растяжения и сжатия, возникающими в отливке (кривая 3), суммарная упругопласти­ ческая деформация, при которой происходит разрушение отлив­ ки, больше 1 % и значительно превышает послеперлитную усад­ ку чугуна. Следовательно, отливки, в которых возникает такое соотношение между напряжениями растяжения и сжатия, не разрушатся от температурных литейных напряжений при лю­ бом охлаждении в форме и изготовлении из чугуна любой марки, если, конечно, в них не будет участков с отбеленной структурой.

Но у отливок сложной конфигурации обычно имеются места, в которых происходит концентрация напряжений растяжения или сжатия, а уравновешивающие их напряжения противопо­ ложного знака малы. Из сказанного ранее ясно, что концен­ трация напряжений сжатия не увеличивает опасность разруше­ ния отливок и с этой точки зрения ее можно не учитывать. Зато концентрация напряжений растяжения весьма опасна, так как приводит к возникновению трещин в отливках. Наличие кон­ центрации напряжений растяжения особенно опасно у отливок из более прочного серого чугуна. Поэтому необходимо уделять внимание конструктивным и технологическим мероприятиям, обеспечивающим уменьшение возникающих в таких отливках напряжений растяжения в местах возможной их концентрации.

Влияние марки чугуна на опасность разрушения отливки

54

экспериментально проверяли на трехзвенной литейной решетке, размер поперечного сечения центрального стержня которой составлял 40 X 60 мм. Соотношение площадей поперечного сечения массивного и тонких стержней было таково, что напря­ жения сжатия примерно в 1,4 раза превышали напряжения растяжения. Большая жесткость поперечин решетки при изгибе обеспечила получение в ней значительных напряжений. Так, например, если решетку отливали из чугуна, прочность которого в центральном ее стержне получалась равной ов = 210 МН/м2, то возникавшие в этом стержне остаточные напряжения растя­ жения составляли 120 МН/м2.

Испытания проводили следующим образом. Посредине длины центрального стержня решетки с помощью симметрично устанавливаемых в форму двух цилиндрических песчаных вста­ вок диаметром 50 мм создавали местное утонение сечения стер­ жня, по которому происходило разрушение решетки в процессе ее охлаждения в форме. Величину утонения подбирали такой, чтобы даже очень небольшое увеличение площади сечения стер­ жня в этом месте прекращало разрушение решетки. Отношение площадей поперечного сечения такого предельно утоненного и неутоненного участков центрального стержня решетки характе­ ризует отношение возникших в этом стержне литейных напря­ жений к пределу прочности его металла. Указанное отношение обозначали ß, а для эталонного чугуна ß0. Чем больше ß, тем выше относительная величина возникших в отливках литейных напряжений и, следовательно, больше опасность ее разрушения.

Решетку отливали из чугуна различных марок (от СЧ 15-32 до СЧ 32—52), и для каждого состава чугуна определяли вели­ чину ß. Одновременно отливали стандартные пробы диаметром

Абсолютная величина ß зависит от конструкции исследуемой отливки и условий ее охлаждения. Поэтому для получения более общих закономерностей, справедливых для различных отливок,

/Сгр = С [Si— 0,2(Мп— 3,3S) + 0,4Ni + 0, IP— 1,2Cr— 0,4Мо].

Как видно из рис. 25 и 26, в тех случаях, когда в отливке получается перлитная или перлитно-ферритная структура, изменение марки чугуна в широких пределах мало влияет на

55

рис. 24, в. Сплошная линия на рис. 25 достаточно хорошо вос­

производит именно такую зависимость.

Появление же в чугуне структурно свободного цементита резко увеличивает опасность разрушения отливок. Объясняется это тем, что структуры, содержащие значительное количество

fifflo

и существенно меньшую пластическую деформацию. В резуль­ тате любая заданная деформация, достигается в чугуне с такой структурой при действии больших напряжений. Так как полная остаточная деформация отливки при данном режиме ее охла­ ждения в форме сохраняется практически одинаковой для чугу­ на всех марок, то появление структур со свободным цементитом приводит к возникновению в ней повышенных литейных напряжений.

Характерно, что разрушение всех отливок независимо от их микроструктуры происходило в интервале температур 260— 200° С, т. е. при подходе к зоне минимальной прочности чугуна (см. рис. 21). Если при этой температуре отливка не разру­ шалась, то самопроизвольно (без какого-либо внешнего воздействия) она не разрушалась и после полного ее охлаж­ дения.

Из всего сказанного следует, что к разрушению чугунных отливок от напряжений, возникающих при неравномерном их

56

охлаждении в форме, прежде всего приводит отбел, особенно если он появляется в местах концентрации напряжений растяже­ ния. Часто появление на напряженном участке чугунной отливки даже небольшого тонкого залива металла, имеющего сквозной отбел, приводит к образованию трещины. Поэтому при изготов­ лении отливок из более прочного чугуна необходимо особое внимание уделять отделке формы, чтобы исключить вероятность возникновения заливов и местных отбелов.

У крупных отливок, имеющих относительно тонкие стенки и большие внутренние полости, создаваемые песчаными стерж­ нями, основной причиной разрушения может быть сопротивле­ ние стержней усадке металла. Более подробно влияние песча­ ных стержней на напряжения, возникающие в отливках, будет рассмотрено в разделе 12. Здесь необходимо лишь отметить, что стержни создают в отливках дополнительные напряжения растяжения и уменьшают напряжения сжатия, получающиеся от неравномерного охлаждения отливок в форме. Как было пока­ зано, такое перераспределение действующих в отливке напряже­ ний увеличивает опасность ее разрушения от литейных напряже­ ний, особенно при изготовлении из более прочного чугуна.

Для расчета остаточных на­ пряжений, сохраняющихся в отливке и влияющих на по­ следующее ее коробление, не­ обходимо определять упругопластические деформации раз­

личных ее участков в течение всего процесса охлаждения в форме. Но для этого нужно знать упругопластичные свойства металла в широком диапазоне температур.

Основной особенностью пластических свойств металла при повышенной температуре является его ползучесть, т. е. нара­ стание пластической деформации с течением времени без увели­ чения действующего напряжения. Сложность учета этой дефор­ мации состоит в том, что скорость ползучести зависит не только от температуры и напряжений в данный момент, но и от того, воздействию каких пластических деформаций, при какой тем­ пературе и в течение какого времени подвергался до этого рас­ сматриваемый участок металла.

Влияние указанных факторов на ползучесть металла объясняется наличием в нем двух противоположных процессов, одновременно происходящих при повышенной температуре — упрочнения и разупрочнения металла. Упрочнение металла воз­ никает в процессе его пластической деформации: чем больше пластическая деформация и ниже температура, при которой она происходит, тем больше упрочнение. Разупрочнение же зависит от температуры и времени выдержки металла при этой темпе­

57

ратуре: чем выше температура и больше время выдержки, тем сильнее разупрочнение.

Ползучесть металла обычно приравнивают течению вязкой жидкости, свойства которой могут меняться в процессе ее течения. Свойства металла, определяющие его ползучесть, а главное, количественная зависимость этих свойств от различ­ ных факторов изучены пока недостаточно, особенно для такого неоднородного металла, как чугун. Кроме того, эти зависимости часто достаточно сложны и неудобны при инженерных расчетах. Поэтому при расчетах пользуются упрощенной моделью, отра­ жающей главные овойства исследуемого металла, а числовые

значения коэффициентов в та­ кой модели подбирают на ос­ новании экспериментальных данных, характеризующих сум­ марные свойства металла в на­ груженном состоянии.

Пластическая деформация металла происходит не только в процессе ползучести, но и в случае увеличения действую­

щего напряжения. Эта пластическая деформация, возникающая в результате нагружения металла, тоже вызывает его упрочне­ ние. Но при повышенной температуре любое упрочнение метал­ ла интенсивно ликвидируется — происходит его разупрочнение. Что касается пластической деформации, возникающей при на­ гружении, то разупрочнение металла влияет на ее величину только при повторном нагружении до того же напряжения. Если разупрочнения не происходит, то повторное нагружение до напряжения, не превышающего максимальное значение при первом нагружении, практически не вызывает пластической деформации металла. При наличии полного разупрочнения ме­ талла повторное нагружение вызывает такую же его пластиче­ скую деформацию, как и при первом нагружении. В случае частичного разупрочнения пластическая деформация при по­ вторном нагружении будет промежуточной между этими край­ ними ее значениями.

Упруговязкопластичные свойства чугуна при его растяжении можно условно представить схемой, изображенной на рис. 27. Элементы Л, В и С характеризуют ползучесть металла; элемент D — его пластическую деформацию в процессе нагружения, а элемент Е — упругую деформацию. Полная деформация метал­

ла е всегда равна сумме

— пластическая деформация ползучести, происходящая в эле-

58

ментах А, В и С; е " — пластическая деформация, возникающая в процессе нагружения и происходящая в элементе D.

Пользуясь схемой рис. 27, можно составить условие силового равновесия в нагруженном металле. С этой целью рассмотрим более подробно элементы А, В и С схемы, считая вначале для

простоты, что нагружение происходит при постоянной темпера­ туре t.

Элемент А характеризует сопротивление вязкому течению

металла. Обычно оно принимается пропорциональным скорости

сти т). Анализ приведенных в работе [22] данных о релаксации

релаксации. Поэтому было принято, что коэффициент пропор­ циональности г) зависит от действующего напряжения о и имеет

вид т] = -^j- , где а0 и т — некоторые постоянные величины.

Элемент В отражает тот факт, что не всякое напряжение

вызывает ползучесть металла, находящегося в исходном со­ стоянии. Если приложить к металлу напряжение меньше неко­ торой величины Ом, то ползучесть будет отсутствовать. Поэтому, если о > Ом, то элемент В создает в рассматриваемой схеме

постоянное напряжение ом, а превышение действующего напря­ жения величины ом вызывает ползучесть металла. Когда о < Ом, в элементе В возникает точно такое же уравновешиваю­

щее напряжение о и ползучесть отсутствует. Таким образом, элемент В действует аналогично силе сухого трения.

Элемент С характеризует изменение свойств металла, про­

исходящее в процессе ползучести от упрочнения и разупрочне­ ния. Вообще упрочнение металла происходит как от пластиче­ ской деформации е„, так и от пластической деформации е "

Поэтому вначале было сделано предположение, что обе эти пластические деформации вызывают упрочнение, препятствую­ щее ползучести металла. Но обработка с использованием такого допущения кривых релаксации напряжений в чугуне, приведен­ ных в работе [22], показала, что упрочнение металла от дефор­ мации е" влияет на процесс ползучести несоизмеримо меньше,

чем упрочнение от деформации е п. Это позволило значительно упростить схему и учитывать сопротивление ползучести только от упрочнения металла, возникающего под действием пластиче­ ской деформации еп'. Величину упрочнения, как обычно, прини­ мали равной произведению деформации еп' на некоторый по­ стоянный коэффициент к.

59