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

Предположим, что исходные остаточные напряжения, возник­ шие в поперечном сечении отливки площадью F, равны сто. Тогда

дикулярном плоскости поперечного се­ чения; М0— изгибающий момент отно­ сительно произвольной оси, лежащей в плоскости поперечного сечения, а г —

Iрасстояние элемента dF от этой оси.

Впроцессе релаксации остаточные

напряжения уменьшаются, и если бы при этом отливка не деформировалась, то через некоторое время новые оста­

точные напряжения были бы равны сті = Яоь, где Р < 1 (Р — сте­

пень изменения остаточных напряжений в результате их релак­ сации). Но при этом в рассматриваемом сечении отливки могут возникнуть неуравновешенные сила N і и момент М и которые бу­

дут стремиться деформировать ее так, чтобы в ней снова насту­ пало равновесие остаточных напряжений:

где Е — модуль упругости материала отливки.

70

Если у и 2 — главные центральные оси поперечного сечения

отливки, то неуравновешенные моменты относительно этих осей, возникающие от релаксации остаточных напряжений, будут

равновесие остаточных напряжений, причем действительная их

Таким образом, о короблении отливки в результате релакса­ ции имевшихся в ней остаточных напряжений его можно судить по наличию неуравновешенного момента М\, получающегося

при использовании расчетных напряжений аі = РаоЕсли степень релаксации остаточных напряжений за данный

промежуток времени не зависит от величины и знака исходных напряжений (Р = const), то релаксация не вызовет деформации

Следовательно, наличие релаксации остаточных напряжений в отливке еще не означает, что она обязательно будет коро­ биться.

Предположим теперь, что для остаточных напряжений, дей­ ствующих на площади F і сечения, величина Р равна Р и а для остаточных напряжений, действующих на площади F2, равна Рг.

71

При этом Fi + F2 = F. Тогда

напряжений, характеризующаяся величинами Рі и Р2, приводит

(например, ось z на рис. 29), то, учитывая одинаковые условия

охлаждения в литейной форме симметрично расположенных участков отливки, можно ожидать, что свойства затвердевшего металла и эпюра остаточных напряжений будут также симмет­ ричны относительно этой оси. Это обусловит и симметричное расположение участков с одинаковым значением Р, так как

степень релаксации остаточных напряжений в отливке зависит от свойств ее металла, а также величины и знака напряжения.

На величине силы Л^і согласно уравнению (51) симметрич­ ность расположения участков сечения отливки с одинаковым Р

никак не скажется, но в уравнении (52) интеграл станет равным нулю. Следовательно, отливка не будет коробиться относительно плоскости ее симметрии. Сказанное справедливо при любой зависимости Р от свойств материала отливки, а также величины

и знака напряжений.

При наличии в поперечной сечении отливки балочного типа двух осей симметрии отливка вообще не будет коробиться от релаксации имеющихся в ней остаточных напряжений, а только

72

удлиняться или сжиматься в продольном направлении согласно уравнению (41). Некоторое коробление такой отливки в реаль­ ных условиях может быть только из-за того, что у симметрично расположенных участков сечения затвердевший металл не будет обладать строго одинаковыми свойствами или одинаковыми остаточными напряжениями. Но это коробление будет намного меньше, чем у аналогичной отливки с несимметричным профи­ лем поперечного сечения.

При несимметричном профиле поперечного сечения и наличии релаксации остаточных напряжений отливка тоже будет коро­ биться не всегда, а только в случае, если степень этой релак­ сации, характеризующаяся величиной Р, различна для разных

участков ее сечения. Как видно из уравнений (45) и (52), вели­ чина этого коробления будет тем больше, чем больше различие

напряжений, а также от структуры металла. Степень релаксации напряжений при растяжении существенно больше, чем при сжа­ тии; у чугуна с перлитно-ферритной структурой она больше, чем у чугуна с перлитной структурой, и т. п. Поэтому при изготов­ лении отливок из чугуна, склонного к образованию резко различных структур в массивных и тонких сечениях, вероятность их коробления будет больше, чем при изготовлении из чугуна, обеспечивающего минимальную разницу в структуре различных участков отливки.

Из уравнения (52) следует также, что при данной разнице величин (Р1 — Р2) наибольшее коробление будет наблюдаться

уотливок, имеющих максимальное значение интеграла, пред­ ставляющего собой статический момент исходных остаточных напряжений оо на площади Fь т. е. только на той части площади, где степень релаксации одинакова и равна Р\. Так, например, если Р х относится к напряжениям растяжения, а Р2.— к напря­

жениям сжатия, то наибольшее коробление будет иметь отливка,

укоторой статический момент всех остаточных напряжений растяжения относительно главных центральных осей поперечно­ го сечения будет наибольшим. Следовательно, чем больше абсолютная величина остаточных напряжений растяжения и чем в большей степени эти напряжения расположены с одной сто­

роны поперечного сечения и удалены от центральных его осей, тем большее коробление отливки вызовет при прочих равных условиях их релаксация.

Подобным анализом можно иногда пользоваться для грубой оценки влияния той или иной эпюры остаточных напряжений на коробление данной отливки от их релаксации.

Предположим, что в процессе релаксации процент снижения напряжений растяжения, превышающих некоторую величину сгк,

73

значительно больше процента релаксации всех остальных на­

стей. Исследуя коробление в направлении оси z, можно сказать,

что при той из эпюр остаточных напряжений, при которой ве­ личина интеграла J OozdF для областей с оо ^ ок будет в дан­

ной отливке наименьшей, ее коробление будет минимальным. В разделе 4 было показано (см. рис. 28), что релаксация

напряжений растяжения всегда значительно больше, чем напря­ жений сжатия. Поэтому при оценке возможного коробления отливки в первом приближении можно рассматривать статиче­ ский момент всех остаточных напряжений растяжения. Так как механические свойства чугуна в массивных и тонких участках

тяжения, а k2— коэффициент, определяемый из табл. 5 по пре­

делу прочности чугуна при растяжении ов для каждого данного

Другими словами, при прочих равных условиях большего коробления можно ожидать у отливок с большей абсолютной

происходящего в процессе их релаксации.

Обеспечить в разных участках отливки одинаковый процент релаксации напряжений, имеющих различную величину и знак, особенно когда они действуют на металл, обладающий разными механическими свойствами, очень трудно. Если же учесть, что обеспечить одинаковый процент релаксации необходимо во всех участках объема отливки при наличии в ней сложной и часто неизвестной эпюры остаточных напряжений, а также значитель­ ного разнообразия свойств металла, которые зависят от условий охлаждения каждого участка отливки в форме, то подобная задача становится вообще неразрешимой. Поэтому основным способом стабилизации размеров и устранения коробления

74

отливок является уменьшение абсолютной величины релаксации имеющихся в них остаточных напряжений.

Последнее означает, что с целью уменьшения величины изгибающего момента М\ в формуле (53) стремятся прежде все­

го уменьшить величину интеграла. На изменение отношения

при этом не обращают внимания, так как если величина

интеграла мала, то небольшим будет и момент М\, определяю­

щий коробление отливки. Некоторое же уменьшение или увели­ чение момента Мі за счет изменения величины множителя, стоящего в уравнении (53) перед интегралом, не имеет сущест­ венного значения, когда сам интеграл очень мал.

Уменьшить величину интеграла в формуле (53) можно путем снижения процента релаксации напряжений р или умень­

шения исходных остаточных напряжений оо, а также одновре­ менно и тем и другим путем. Для разработки эффективных методов стабилизации размеров отливок необходимо знать не только процент релаксации напряжений в исходном литом ме­ талле, но и степень его уменьшения после того, как данный ме­ талл подвергался воздействию температурной, силовой или какой-либо другой обработки. Поэтому изучение релаксации напряжений в чугуне и степени ее уменьшения после различных видов обработки имеет первостепенное значение.

Сказанное до сих пор относилось в основном к короблению отливок от релаксации имевшихся в них остаточных напряже­ ний первого рода. Но отливки могут коробиться и от других причин, вызывающих неравномерные объемные изменения их металла. К таким причинам могут относиться происходящие

стечением времени структурные превращения металла отливки

идаже релаксация напряжений второго рода.

Отливка не будет коробиться, если возникающие в ней объемные изменения имеют одинаковую величину и происходят одновременно во всех ее участках. Это вызовет только увеличе­ ние или уменьшение ее абсолютных размеров. Если же величина объемных изменений, происходящих в разных участках отливки, различна, может возникнуть ее коробление.

Чаще всего структуры чугуна, получающиеся в процессе литья, достаточно стабильны при температуре 20° С. Нестабиль­ ными, как правило, являются структуры, возникающие в резуль­ тате закалки, у которых даже при температуре 20° С происходит изменение тетрагональности мартенсита и распад остаточного аустенита. Наиболее опасной для деталей (с точки зрения ко­ робления) является односторонняя несимметричная их закалка, например, часто применяемая на практике поверхностная закал­ ка направляющих базовых деталей машин и приборов. Поэтому необходимо учитывать возможность коробления таких деталей не только в процессе самой закалки, но и в дальнейшем, в про­ цессе эксплуатации.

75

Объемные изменения в чугуне, происходящие в результате релаксации остаточных напряжений второго рода, также могут влиять на коробление отливок. Графитовые включения создают в металлической основе чугуна значительные напряжения вто­ рого рода. Так как сам графит сжат, то в металлической основе существуют преимущественно напряжения растяжения. По мере релаксации этих напряжений с течением времени будет проис­ ходить некоторое увеличение объема чугуна. Так как в разных участках отливки структура различна, различными будут и деформации от релаксации напряжений второго рода, что может вызвать коробление отливки. Поэтому отливки из чугуна, осо­ бенно склонного к образованию различных структур в массив­ ных и тонких стенках, могут коробиться и по этой причине.

Отливки могут коробиться и просто потому, что они были пластически изогнуты или скручены под действием каких-то внешних сил. В разделе 3 было показано, что чугун пластиче­ ски деформируется даже при сравнительно небольших на­ грузках.

Если же в отливке имеются еще и остаточные напряжения, то при наложении на них напряжений того же знака от внешней нагрузки суммарные напряжения могут вызвать значительную пластическую деформацию чугуна. Вообще наличие в отливке больших остаточных напряжений повышает ее склонность к ко­ роблению от действия внешних нагрузок. Например, при наличии в чугунной отливке значительных остаточных напряжений ее коробление может вызвать даже вибрация с симметричным циклом нагружения.

Предположим, что в отливке из чугуна с ав = 210 МН/м2

имеются остаточные напряжения, причем максимальная их велиг чина как на растяжение, так и на сжатие одинакова и равна сто = 120 МН/м2. Если эту отливку подвергнуть вибрации по

пластические деформации из-за временной перегрузки металла, а при противоположных знаках будет происходить временная упругая разгрузка металла на данном участке.

Из кривых рис. 18 следует, что при принятых величинах остаточных напряжений и амплитуды вибрации остаточные напряжения растяжения в отливке уменьшатся после вибрации примерно на 3 МН/м2, или 2,5%, а остаточные напряжения сжатия — на 1 МН/м2, или 0,8%• Разный процент снижения остаточных напряжений под действием вибрации вызовет короб­ ление отливки из-за возникновения неуравновешенного изги­ бающего момента М\. Величину этого момента можно опреде­

лить, пользуясь уравнением (53), если вместо процентов релаксации остаточных напряжений подставить в него проценты изменения этих напряжений под действием внешних сил.

76

сжатию, изгибу или кручению. Полная деформация образца, создаваемая при его начальном нагружении до заданной вели­ чины исходных напряжений, поддерживается в течение всего испытания постоянной. Измеряют происходящее с течением времени изменение действующего напряжения или вызывающую его пластическую деформацию образца.

На тех же образцах можно измерять и пластическую дефор­ мацию исследуемого материала при временной перегрузке до­ полнительными напряжениями. Такие данные необходимы, так как пластическая деформация от временной перегрузки тоже может оказаться причиной коробления отливок, о чем уже гово­ рилось в предыдущем разделе.

Особенностью образцов, подвергаемых испытанию на растя­

поля с одинаковой величиной номинального напряжения во всех точках поперечного сечения. Поэтому, измеряя силу растяжения или сжатия, можно совершенно точно определить номинальное напряжение, действующее в образце в каждый данный момент

образца специального приспособления. Это приспособление должно предотвращать перекос образца из-за трения в захватах. Перекос вызовет дополнительный изгиб образца и исказит ре­ зультаты испытаний не релаксацию напряжений. Кроме того, при сравнительно небольшой длине образцов требуется очень точно измерять их длину. Использовать же длинные образцы при испытании на растяжение неудобно, а при испытании на сжатие вообще невозможно из-за низкой их жесткости при из­ гибе. Все это создает определенные трудности и неудобства при исследовании релаксации на образцах, подвергаемых рас­ тяжению или сжатию, особенно при длительном испытании большого числа образцов.

При испытании на изгиб и кручение можно, выбрав мало­ жесткие образцы, обеспечить значительную величину их прогиба или угла закручивания даже в случае небольшого изменения действующих напряжений. Большие перемещения концов таких образцов создают существенные удобства их измерения, особен­ но когда напряжения в процессе релаксации изменяются мало. Существенным преимуществом образцов для испытания на из­ гиб является также простота их нагружения с помощью рас­ порных пластин, штырей или других вставок.

77

Основным недостатком испытаний на изгиб и кручение является неоднородное поле напряжений, возникающее в сече­ нии образца при его нагружении. Значительная неоднородность действующих напряжений получается при испытании на изгиб, когда в сечении образца одновременно присутствуют напряже­ ния не только различной величины, но и разного знака. Из-за неоднородности действующих напряжений по изменению сум­ марного изгибающего или крутящего момента можно судить только о некоторой средней величине релаксации напряжений, бывших в образце, так как закономерность изменения релакса­ ции от величины и знака напряжений заранее неизвестна.

При исследовании релаксации напряжений в основном пользуются испытаниями на растяжение и изгиб, поэтому остановимся на них более подробно применительно к образцам из чугуна.

в 10 раз превышающей их диаметр. Если испытания на релак­ сацию при растяжении ведутся на специально предназначенных для этого машинах, суммарная длина образца после его нагру­ жения поддерживается постоянной с помощью регулирующего устройства, работающего от чувствительного прибора, измеряю­ щего деформацию образца. Происходящее же с течением време­ ни изменение растягивающей силы регистрируется силоизмери­ тельным устройством машины.

При температуре 20° С испытание на релаксацию при растя­ жении можно выполнять и с помощью простых приспособлений типа цилиндрических обойм, поддерживающих постоянной длину испытуемого образца после его нагружения. Но для этого пло­ щадь поперечного сечения обоймы должна быть намного больше, чем у испытуемого образца, чтобы изменение растягивающей силы в образце практически не сказывалось на изменении длины обоймы, а следовательно, и на суммарной длине испытуемого образца. Кроме того, приспособление должно полностью исклю­ чать скручивание или изгиб образца при его нагружении. Наибо­ лее трудно, .как правило, бывает исключить изгиб образца из-за трения в самоустанавливающихся опорах такого приспособ­ ления.

Измерение растягивающей силы, действующей в данный мо­ мент, удобнее всего проводить, используя обычные проволочные тензодатчики сопротивления. Образец с наклеенными на него

78

датчиками предварительно устанавливают в универсальную машину для испытания на растяжение и нагружают до заданной силы в соответствии с показанием силоизмерительного устрой­ ства машины. После этого мост сопротивлений, составленный из тензометрических датчиков, балансируют на нуль. Затем образец снимают с машины и устанавливают в приспособление (обойму), в котором он нагружается до получения в мосту сопротивлений из тензодатчиков нулевого тока. Это означает, что сила растя­ жения, созданная в образце, установленном в приспособлении, равна силе, бывшей в нем при нагружении на машине для рас­ тяжения. Измеряя показания тензодатчиков, наклеенных на диаметрально противоположных участках цилиндрической по­ верхности образца, можно установить наличие или отсутствие изгиба образца при его нагружении в приспособлении.

При наличии изгиба образец в приспособлении устанавли­ вают так, чтобы обеспечить в нем чистое растяжение.

Силу растяжения, а следовательно, и напряжение, сохра­ нившееся в образце по истечении некоторого времени, измеряют аналогичным образом. Сначала у растянутого в приспособлении образца балансируют на нуль мост сопротивлений, составленный из наклеенных на него тензодатчиков. Пользоваться сделанной ранее балансировкой на нуль нельзя, так как с течением времени датчики могут «ползти» и тогда нуль смещается. Затем образец освобождают из приспособления, устанавливают в универсаль­ ную машину для испытаний на растяжение и нагружают до момента достижения в мосту сопротивлений нулевого тока. Это означает, что образец растянут до той же суммарной дефор­ мации, которую он имел в приспособлении. С помощью силоиз­ мерительного устройства машины определяют силу растяжения, а следовательно, и напряжение, действующее в образце. Потом образец снимают с машины и снова нагружают'в приспособлении до момента достижения нулевого тока в мосту сопротивлений.

Такая методика позволяет исследовать релаксацию напряже­ ний одновременно в большом числе образцов при использовании соответствующего числа сравнительно простых и малогабарит­ ных приспособлений и только одной машины для испытания на растяжение. К недостаткам описанной методики испытания сле­ дует отнести сложность нагружения образцов в приспособлении, заключающуюся в том, чтобы гарантированно исключить возмож­ ность временной их перегрузки.

При испытании чугуна на релаксацию особенно важно в про­ цессе всех нагружений образцов никогда даже кратковременно не превысить заданной начальной их деформации, так как иначе произойдет пластическая деформация чугуна из-за его перегрузки и дальнейшая релаксация напряжений изменится. Обеспечить в приспособлении строгое соблюдение этого обязательного усло­ вия при растяжении образцов до заданной нагрузки весьма сложно.

79