Общая характеристика механических свойств чугуна и принципиальное влияние его структуры

Механические свойства, определяющие чугун как конструкционный материал, являются в большинстве случаев определяющими при выборе состава чугуна для отливок, и поэтому им уделяется большое внимание. В реальных условиях службы отливки подвергаются разнообразным и сложным напряжениям: растяжению, сжатию, изгибу, срезу, кручению и т. д. При этом, в зависимости от скорости и постоянства приложения нагрузки, действующие напряжения могут быть статическими (кратковременными и долговременными) или динамическими, а также постоянно действующими или знакопеременными. Несмотря на такое разнообразие в характере напряжений, они во всех случаях могут быть сведены к нормальным — растягивающим и сжимающим ±о и касательным т. В реальных условиях эти напряжения обычно сосуществуют. Образующиеся в результате указанных напряжений деформации могут быть упругими (обратимыми), пластическими (остаточными) и разрушающими. Соответственно различают и три группы механических свойств, характеризующих сопротивление металла образованию деформаций. Иногда различают еще и неупругие деформации, которые отличаются от пластических тем, что являются обратимыми, а от упругих тем, что возникают не сразу после приложения нагрузки.

Сопротивление упругим деформациям еупр, уупр при нормальных и касательных напряжениях определяется модулями нормальной E = do/dеупр и касательной G = dт/dуупр упругости. Heyпpyгость же определяется внутренним трением, отставанием по фазе деформаций от напряжений, что вызывает затухание колебаний и оценивается, например, циклической вязкостью ф.

Сопротивление пластическим деформациям, образующимся под действием касательных напряжений, характеризуется пределами упругости oyn, пропорциональности on и текучести ат, а0,2. Сопротивление разрушающим деформациям определяется пределами прочности при растяжении oв, изгибе ои, сжатии ос, срезе тср, кручении тв и т. д.

Разрушающие деформации могут быть только нормальными растягивающими +о или касательными т. Сжимающие напряжения и деформации в чистом виде (например, при всестороннем сжатии) не могут вызвать разрушения (разрушение при сжатии происходит под влиянием поперечных растягивающих или касательных напряжений). Поэтому, как установил Н.Н. Давиденков, следует различать только разрушения от отрыва и среза.

В первом случае ответственными являются нормальные напряжения; разрушение происходит при этом по зернам или по их границам (внутрикристаллитно или межкристаллитно) и в большинстве случаев носит хрупкий характер. Это значит, что разрушение сопровождается малыми пластическими деформациями и небольшой затратой энергии. Излом при этом получается блестящим кристаллическим в случае внутрикристаллитного разрушения или же цвета хрупких граничных фаз, по которым происходит отрыв, в случае межкристаллитного разрушения. Именно так происходит разрушение серого чугуна по границам графита. При этом предел прочности ов чугуна характеризует его сопротивление отрыву Sотр. В случае же разрушения от среза ответственными являются касательные напряжения. Такое разрушение происходит только по зернам. При этом получается вязкий излом, сопровождающийся большой затратой энергии и значительными пластическими деформациями — относительным удлинением b и относительным сужением w. В этом случае напряжения при разрушении характеризует уже сопротивление срезу tср.

В зависимости от природы и структуры материала, а также от условий напряженного состояния сопротивление отрыву Sотр и сопротивление срезу tср могут значительно изменяться по величине. Разрушение материала происходит тогда, когда соответствующие напряжения (о, т) достигают предельных значений (Sотр и тср), что может быть в двух случаях:

С увеличением нагрузки растут оба вида напряжений (о, т), но в различной степени — в зависимости от напряженного состояния. Соотношение между максимальными значениями этих напряжений (а = омакс/тмакс) характеризует «жесткость» приложения нагрузки. В зависимости от условий меняются также значения сопротивления отрыву и срезу. Поэтому характер разрушения зависит от того, какое из равенств (III.1) или (III.2) будет раньше достигнуто. Так, например, понижение температуры или увеличение скорости приложения нагрузки приводят к уменьшению сопротивления отрыву, вследствие чего может наступить хрупкое разрушение. С другой стороны, наличие надрезов создает объемно-напряженное состояние, уменьшает разность главных нормальных напряжений (омакс и омин), а следовательно, и величину максимальных касательных напряжении (тмакс)

Таким образом, надрезы препятствуют развитию касательных напряжений, увеличивают «жесткость» приложения нагрузки и исключают возможность достижения равенства (III.2), вследствие чего в этом случае происходит хрупкое разрушение путем отрыва (III.1). Поэтому для определения склонности к хрупкому разрушению вязких чугунов пользуются часто динамическими испытаниями с определением ударной вязкости (ан) на образцах с надрезами. Еще лучше эта склонность выявляется при серийных испытаниях в области определенного диапазона низких температур. Хрупкое разрушение может наступить при этом из-за уменьшения не только сопротивления отрыву, но и величины касательных напряжений.

Наличие графита в чугуне (особенно пластинчатого) всегда создает внутренние надрезы. По этой причине серый чугун с пластинчатым графитом характеризуется сравнительно низкой прочностью и очень низкой пластичностью. Вместе с тем наличие графита придает чугуну ряд ценных качеств, обусловливающих преимущества его как конструкционного материала (низкая чувствительность к внешним надрезам, высокая циклическая вязкость и высокая конструктивная прочность).