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

При выборе конфигурации образцов для исследования релак-, сации напряжений при изгибе желательно, по возможности, уменьшить число переменных факторов, влияющих на измеряе­ мые при испытании величины, а именно, на изгибающий момент или суммарную пластическую деформацию образцов. Поэтому предпочтение следует отдать образцам, представляющим собой балку равного сопротивления изгибу, т. е. таким, у которых ве­ личина максимальных напряжений, а также эпюра распределения напряжений по высоте поперечного сечения одинаковы для всех сечений по длине образца.

С точностью до нескольких процентов это условие может быть легко выполнено в образцах достаточно простой конфигу­ рации. Прежде всего к ним относятся плоские кольцевые образ­ цы, предложенные И. А. Одингом для исследования релаксации напряжений в стали [30]. Размеры кольцевых образцов, изготов­ ленных из чугуна, пришлось значительно увеличить, исходя из сказанного ранее о влиянии на результаты испытаний гетероген­ ности микроструктуры чугуна. В результате были приняты разме­ ры кольцевого образца, приведенные на рис. 30.

Рис. 30. Кольцевой образец для исследования релак­ сации напряжений в чугуне

Кроме кольцевых образцов, были предложены [20] образцы для испытания на изгиб камертонного типа, представленные на рис. 31.

Камертонные образцы 1 нагружают с помощью распорных штырей 2 (рис. 31, б), а кольцевые образцы 1 — при помощи рас­ порных пластин 2 (рис. 30,6), вставляемых в прорезь. Диаметр

штырей и толщину пластин подбирают в зависимости от задан­ ной нагрузки и упругопластических свойств материала образца. Практически это осуществляется следующим образом. Образец устанавливают на машине для растяжения и к нему приклады­ вают заданную силу Q, как показано на рис. 32. Затем подбирают

80

толщину пластины или диаметр штыря, соответствующие ширине прорези образца, получившейся после приложения силы Q.

Для партии образцов, полученных при заливке из одного ковша (камертонные) или изготовленных из одной втулки (коль­ цевые), можно подбирать необходимую толщину пластин и раз­ мер диаметра штырей, пользуясь тарировочными графиками, которые строят по результатам одного — трех образцов из дан­ ной партии. По ординате тарировочных графиков обычно откла­ дывают силу Q, а по абсциссе — размер пластины или штыря, вызывающий в образце эту силу. Штыри имеют лыску, которая позволяет свободно вставлять их в прорезь ненагруженного

Рис. 31. Образец камертонного типа для исследования релак­ сации напряжений в чугуне

образца. Нагружение и разгрузка образца осуществляются плав­ ным поворотом штыря в прорези. Пластины имеют клиновой срез для плавного их вставления в прорезь и удаления из нее. Резкая разгрузка образцов недопустима, так как она вызывает в них колебания, которые часто приводят к дополнительной пластиче­ ской деформации чугуна, искажающей результаты проводимых исследований.

При исследовании релаксации напряжений была принята следующая методика изготовления образцов. Кольцевые образцы изготовляют из отливок втулок, имеющих толщину стенки 30 мм и длину 410 мм. Втулки формуют вертикально по сырому и зали­ вают металлом сверху через дождевой питатель. Для изготовле­ ния кольцевых образцов используют только средний участок втулки длиной 300 мм. Прорезь в кольцевом образце при его механической обработке выполняют в последнюю очередь, так как неразрезанные кольца обладают большой жесткостью и слу­ чайные нагрузки не могут вызвать в них значительных напряжений.

Такая последовательность механической обработки очень важна, так как любые дополнительные напряжения, возникающие в процессе изготовления образца, вызывают пластическую дефор-

мацию, изменяющую пластические свойства чугуна по сравнению с бывшими у него в исходном литом состоянии.

При выполнении прорези кольцевой образец жестко зажи­ мают в специальном приспособлении, чтобы исключить возмож­ ность его пластической деформации в момент окончания разрезки. Зажим осуществляют за участки торцовой поверхности кольцево­ го образца, расположенные рядом с прорезью.

С кольцевыми образцами, после выполнения в них прорези, следует обращаться осторожно, исключая возможные удары, слу­ чайное нагружение и т. п. При изготовлении образцов камер­ тонного типа в них до самого последнего момента механической обработки сохраняют тонкие перемычки между ветвями в месте установки нагрузочных штырей.

Полностью изготовленные образцы в некоторых случаях предварительно отжигают 2 ч при температуре — 550° С, чтобы устранить возможное упрочнение чугуна от случайных нагрузок при механической обработке или от релаксации напряжений второго рода при длительном вылеживании образцов или их заготовок после отливки.

Не исключено, что такой отжиг несколько меняет пластиче­ ские свойства чугуна по сравнению с бывшими у него в исходном литом состоянии. Но если эти изменения и есть, то, судя по всему, они малы. Кроме того, на образцах, подвергаемых изгибу, обычно исследуют не абсолютную, а относительную эффективность разных методов стабилизирующей обработки чугуна. С этой целью на одинаково подготовленных к испытанию и загружен­ ных одинаковыми исходными напряжениями образцах парал­ лельно проводят два исследования. На одних образцах изме­ ряют релаксацию исходных напряжений при обычном естествен­ ном старении, а на других— ту же релаксацию, но после пред­ варительной стабилизирующей их обработки. Затем определя­ ют, какую долю коробления образцов первой группы составляет за то же время коробление образцов второй группы. При таком методе обработки получаемых экспериментальных данных влия­

ской деформации образца, вызываемой релаксацией действую­ щих в нем напряжений, а другой на определении изменения силы Q, создаваемой распорной пластиной данной толщины.

Рассмотрим более подробно каждый метод в отдельности. М е т о д I. На полированной боковой поверхности образца по

обе стороны прорези с помощью перекрестий из рисок или отпе­ чатков, полученных на приборе для измерения твердости, отме­ чают две базовые точки (рис. 32,а), расстояние / между которы­ ми в дальнейшем измеряют на инструментальном микроскопе.

82

Отношение Д/п/А/у характеризует долю упругой деформации образца, перешедшую с течением времени в пластическую. Так как упругая деформация кольцевого образца Д/у пропорциональ­ на бывшим в нем начальным напряжениям, то величина р, =

= — п‘ 100 соответствует средней величине процента снижения

Му

этих напряжений из-за их релаксации за время т,-. Обозначив че­ рез по максимальное напряжение изгиба, бывшее в образце

в начальный момент, можно с помощью формулы Да0і = ^ а0

определить среднюю величину изменения этого напряжения за рассматриваемый промежуток времени т,-.

Преимущество описанного метода в сравнительной простоте измерения с помощью инструментального микроскопа релаксации начальных напряжений в кольцевых образцах. Но этот метод имеет и серьезные недостатки.

Основной недостаток этого метода заключается в том, что для измерения релаксации напряжений образец приходится каждый раз полностью разгружать. Опыт показал, что многократные разгрузки с последующими нагружениями влияют на пластиче­ ские свойства чугуна и, следовательно, несколько искажают ре­

мер, если кольцевой образец, нагруженный пластиной толщиной

в разгруженном образце иногда не только не увеличивалось, но даже несколько уменьшалось.

Другим недостатком рассмотренного метода является то, что образцы (из-за наличия в чугуне значительного упругого последействия) каждый раз после разгрузки необходимо долго

в которую упирается ножка этого индикатора. Опорная площад­ ка имеет микрометрический винт 2. Образец подвешивают за верхнюю тягу 6 и нагружают грузами через нижнюю тягу 3.

Чтобы уменьшить трение в местах соединения тяг с образцом, концы цилиндрических штырей 9, укрепляемых в отверстиях

образца, выполнены в виде трехгранных призм. Чтобы предот­ вратить проворот этих штырей, их фиксируют в образце вин­

84

тами 10. Призмы штырей опираются на цилиндрическую по­

верхность отверстий, имеющихся в тягах. При нагружении образца силы от верхней и нижней тяг должны лежать строго на одной прямой. Для этого на образце крепят штангу 7 с про­

ное положение, принимаемое за нулевое. Затем пластину

вынимают из прорези и добавлением разновесов в чашу нижней тяги снова выводят индикатор в нулевое положение. Получен­ ный при этом суммарный вес груза (включая вес нижней тяги, чаши для разновесов и приспособления с микрометрическим вин­ том для опоры ножки индикатора, т. е. всех деталей, вес кото­ рых действует на нижнюю часть образца) будет соответствовать начальной силе Q, действующей на кольцевой образец при нагру­

жении его пластиной выбранной толщины. После измерения ве­ личины этого груза с чаши нижней тяги снова снимают разнове­ сы и пластину с небольшим натягом устанавливают в прорези образца.

85

силы Q очень важно полностью исключить возможность даже

кратковременной перегрузки образцов, когда их деформация оказывается больше той, которую они имеют при установке нагрузочной пластины выбранной толщины. Для этого установ­ ку пластины в прорези и ее удаление всегда производят в мо­ мент, когда вес грузов несколько меньше распорной силы Q, соответствующей данной толщине пластины. При установке пластины это соответствует моменту, когда ширина прорези кольцевого образца с подвешенными к нему грузами становится немного меньше толщины пластины. Момент удаления пластины из образца определяют по усилию, необходимому для преодоле­ ния силы трения, возникающей при повороте пластины в про­ рези.

Величину этого усилия подбирают экспериментально, и нагружение кольцевого образца с установленной в нем пласти­ ной прекращают, как только пластину можно будет повернуть таким усилием.

Грузы на нижнюю тягу приспособления нужно устанавли­ вать плавно, чтобы избежать колебаний всей системы, которые тоже создадут временную перегрузку кольцевого образца.

порную силу Qo, которая в дальнейших исследованиях прини­ мается за исходную, а Время ее измерения— за нулевой отсчет времени испытания.

Для определения силы’(2о образец со вставленной пластиной укрепляют в загрузочном приспособлении (рис. 33). С помощью микрометрического винта индикатор устанавливают в нулевое положение и производят нагружение образца грузами до момента, когда пластина может с небольшим усилием быть повернута в прорези. После удаления пластины нагрузку дово­ дят разновесами до величины, при которой индикатор снова устанавливается в нулевое положение. Полученный при этом суммарный груз, равный силе Qо, регистрируют, а образец опи­

санным ранее способом (с предварительным уменьшением нагрузки за счет удаления разновесов) снова нагружают пластиной.

Таким же образом периодически измеряют и сохранившуюся в образце распорную силу. Через время ті после нулевого отсче­

релаксации исходных напряжений в образце за время т,-, а абсо­ лютная величина их изменения для напряжения oq может быть

8 6

Основное преимущество метода II измерения релаксации напряжений в кольцевых образцах состоит в том, что полностью исключается какое-либо влияние самого процесса измерения на деформацию образца и установившееся в нем поле напряжений. При этом обеспечивается получение более достоверных данных о релаксационных свойствах исследуемого материала и отпада­ ет необходимость специальной выдержки образцов перед измерением, так как в ходе измерения напряжения в них почти

тода I.

Измерение релаксации напряжений в образцах камертонно­ го типа производят по методу I. Но для замера прогиба ветвей камертона используют специальное приспособление с микрон­ ным индикатором. Приспособление имеет строго фиксированные

на рис. 33, удобно определять и пластическую деформацию коль­ цевых образцов, возникающую в результате их временной перегрузки дополнительными напряжениями. Предварительно индикатор 1 устанавливают в нулевое положение. Затем, поль­

зуясь грузами, к образцу прикладывают силу, при которой из его прорези удаляют нагрузочную пластину, и, добавляя на ча­ шу 4 разновесы, снова выводят индикатор в нулевое положение.

В результате действующий на образец суммарный груз будет равен распорной силе Q, создававшейся нагрузочной пластиной. Для создания временной перегрузки на чашу 4 нижней тяги 3

добавляют необходимый дополнительный груз <3Д и образец выдерживают под такой нагрузкой 3 мин, после чего дополни­ тельный груз снимают. Через 5 мин после снятия дополнитель­ ного груза с помощью индикатора измеряют пластическую деформацию, возникшую в образце от временной его перегрузки. Увеличивая постепенно груз Qa, можно построить кривую пла­

стической деформации образца от перегрузки его дополнитель­ ными напряжениями.

Так как при нагружении кольцевых образцов в них возни­ кают напряжения изгиба, а чугун обладает разными упруго­ пластическими свойствами при растяжении и сжатии, рассмот­ рим более подробно эпюры напряжений, создаваемые в этих образцах различной нагрузкой. Распорная сила Q создает в се­ чениях кольцевого образца растягивающую силу и изгибающий момент. Однако напряжения от растягивающей силы составляют менее 2% от напряжений, вызываемых изгибающим моментом. Поэтому с достаточной точностью можно считать, что кольцевой образец работает в условиях чистого изгиба. Для этого случая

8 7

сжатия на расстоянии z от нейтрального слоя; М — действую­

щий в данном сечении изгибающий момент.

На рис. 34 видно, что z = -----------е, где е — полная дефор-

бр + ес

мация на расстоянии z от нейтрального слоя. Произведя замену

переменных в уравнениях (54), получим

Из рис. 30 следует, что в сечении кольцевого образца, имеющем высоту к0 = 15 мм, изгибающий момент рдвен М =

— 2RCQ, где Q — распорная сила, а R c — средний радиус. Под­

ставляя это значение момента в уравнение (56), окончательно получаем

Используя экспериментально полученные для чугуна данной марки зависимости напряжений от полной деформации при растяжении и сжатии, можно графически вычислить интегралы

88

тельные кривые зависимости напряжений, а на рис. 36 — кривые

легко найти соответствующее ему значение ес, при котором удов­ летворяется уравнение (55). Подставляя найденные значения sp и ес в уравнение (57) и используя кривые рис. 35, получаем ве­ личину распорной силы Q, вызывающей в рассматриваемом чугуне именно такие деформации. Положение нейтрального слоя определяем по формулам

При рассмотрении эпюр напряжений, возникающих в коль­ цевом образце, удобнее всего относить их к распорной силе Q, создающей эти напряжения. По абсолютной величине распор­ ной силы трудно судить о соотношении между созданными ею

89