Упругие и неупругие свойства чугуна

21.10.2019

Значения упругих и неупругих свойств чугуна регламентируются иногда техническими условиями (например, на поршневые кольца), по в ГОСТах и стандартах обычно не оговариваются. Между тем эти свойства имеют большое значение, так как они в известной мере определяют не только величину напряжений и жесткость конструкции, но и чувствительность к надрезам, а также надежность, долговечность и конструкционную прочность отливок.

Характерной особенностью этих свойств, особенно упругих, является почти исключительная зависимость их от графитных включений. Действительно, как видно из рис. 169, уменьшение количества графита, особенно пластинчатого, повышает модуль нормальной упругости. Так же действует замена пластинчатого графита шаровидным или компактным. Поэтому наибольшим модулем при прочих равных условиях характеризуется белый, затем высокопрочный, ковкий и, наконец, серый чугуны:

Однако влияние это снижается с уменьшением количества графита (рис. 169, а). В сером чугуне модуль упругости в значительной мере зависит также от размеров графитных включений, причем влияние это по некоторым данным превышает даже влияние количества графита (рис. 169, б). В то же время распределение графита, в том числе и междендритное, не оказывает в этом отношении практического влияния. Так же мало влияние матрицы (некоторое увеличение модуля упругости при перлитизации структуры связано, по-видимому, с уменьшением количества графита):

Таким образом, модуль нормальной (и касательной) упругости можно, действительно, считать зависимым в основном от графитных выделений.

Эту зависимость до сих пор объясняли только тем, что полости, занятые графитом, действуют как пустоты, уменьшая живое сечение образца и образуя в нем надрезы (так называемые сужающее и надрезывающее действия графита). Полагали, что это является единственной причиной увеличения общего уровня напряжений и образования пиков напряжений, ведущих к увеличению деформаций, понижению модуля упругости и раннему образованию малых по величине пластических деформаций (рис. 170, б). Эта точка зрения, исключающая активную роль самого графита, основывалась на известных исследованиях А. Тума, из которых следовало, что надрезы в стали (рис. 170, а) оказывают на ее упругие свойства примерно такое же влияние, как графит в чугуне (рис. 170, б). Однако оказалось, что указанные особенности упругих свойств чугуна, в частности зависимость модуля упругости от напряжения, наличие упругого гистерезиса и различие в поведении при растягивающих, изгибающих и сжимающих нагрузках невозможно объяснить одной только теорией надрезов. Поэтому в дополнение к ней в последнее время привлекаются еще представления об активном сопротивлении деформации графита, с одной стороны, и об обратимых и остаточных деформациях занятых им полостей — с другой.


Недостаточность теории надрезов видна, например, из того, что деформация надрезанных стальных образцов при растяжении описывается кривой OPMP на рис. 171, а, так что при повторной нагрузке деформация, несмотря на надрезы, изменяется по прямой MP, как у идеально упругого тела с постоянным модулем упругости (МП || ОТ). Деформации же чугуна изменяются при повторной нагрузке по веретенообразной кривой М'Р, и только после многих циклов чугун приближается к идеально упругому телу. Такой характер гистерезисной кривой объясняется тем, что графит оказывает, хотя и небольшое, но определенное сопротивление деформациям (Егр = 500 - 1500 кГ/мм2). При этом благодаря трению деформации начинаются только после того, как напряжение превзойдет значение S (рис. 171, б). При уменьшении напряжения (начиная с точки С) деформация начинает по той же причине уменьшаться только после снижения напряжения на 2 S и при полном снятии напряжения (точка А) в чугуне остается деформация OA. При дальнейшем изменении знака напряжений деформация вновь будет сначала оставаться постоянной, а потом возрастать по кривой ВС, так что гистерезисная петля по идеализированной схеме (рис. 171, б) имеет форму ABCD. В действительности же благодаря наличию многих различно ориентированных пластинок графита углы гистерезисной петли срезаются и она приобретает форму М'Р, согласно рис. 171, а.

Особенностью чугуна, главным образом серого, является зависимость модуля упругости от напряжения. Методика определения этой функции заключается в применении этапов возрастающей нагрузки с поэтапной последовательной разгрузкой, как это показано на рис. 172. По мере увеличения нагрузки (рис. 172, а) площадь гистерезисной петли увеличивается, а модуль упругости, определяемый углом наклона касательной к нагрузочной ветви гистерезисной петли, постепенно уменьшается. Таким образом, модуль упругости оказывается прямолинейной функцией напряжения (рис. 172, б)
Упругие и неупругие свойства чугуна

где E0 — значение модуля упругости, получающееся путем экстраполяции прямой на рис. 172, б до о = 0;

k — коэффициент, определяющийся углом наклона прямой.

Такое уменьшение модуля упругости объясняется тем, что кроме упругих деформаций матрицы образуются еще обратимые деформации полостей, занятых графитом, причем интенсивность образования этих деформаций возрастает с увеличением нагрузки. Точно так же остаточные деформации, образующиеся в чугуне, обязаны своим происхождением как пластическим деформациям матрицы, так и остаточным деформациям полостей графита. Эти деформации особенно резко проявляются на поверхности образцов, где они приводят к образованию трещин, как показано на рис. 173. Общие деформации чугуна (Ее). как показано Г. Гильбертом могут, быть представлены как сумма

где емобр — обратимые (упругие) деформации матрицы;

епобр — обратимые деформации полостей графита;

емост — остаточные (пластические) деформации матрицы;

епост — остаточные деформации полостей графита.

Модуль упругости E при любом напряжении о определяется обратимыми деформациями, т. е.

и так как епобр изменяются не по прямой линии, а резко возрастают с повышением напряжений, то E падает с увеличением напряжения. При нулевом же напряжении епобр = 0 и, следовательно, Е0 характеризует только упругие деформации матрицы, линейно возрастающие с увеличением напряжения:

Измеряя деформации чугуна не только в продольном, но и в поперечном направлении, можно определить отдельные составляющие общей деформации как при растяжении, так и при сжатии чугуна.

При циклическом нагружении и разгружении определяются общие и остаточные (емост+епост) деформации, а путем вычитания, следовательно, и обратимые деформации (емобр+епобр). Проведя касательную к кривой общей деформации в ее начальной точке определяют E0, а следовательно, и емобр = о/Е0, после чего легко найти епобр. Точно так же можно произвести разделение остаточных деформаций.

Из рис. 174 следует, что при малых напряжениях главную роль играют деформации матрицы, особенно упругие. При больших же напряжениях эту роль начинают играть деформации полостей графита, главным образом остаточные. При этом полости графита принимают участие в образовании деформаций только в том направлении, где происходит увеличение размеров (продольном при растяжении и поперечном при сжатии). В направлении же уменьшения размеров (поперечном при растяжении и продольном при сжатии) полости графита, сопротивляясь сжатию, не влияют на деформацию, которая определяется в этом случае только матрицей. Поэтому модули упругости в продольном направлении при растяжении и в поперечном направлении при сжатии понижаются с увеличением напряжений, а в поперечном направлении при растяжении и в продольном при сжатии — остаются постоянными и от величины напряжений не зависят. В этих случаях они выражают в чистом виде только упругие свойства матрицы (E0). Из этого также следует, как видно из рис. 174, что коэффициент Пуассона в условиях растяжения понижается с увеличением напряжений. Экстраполируя его значение до o = 0, можно определить u = 0,26, характерное для строго упругого состояния и соответствующее деформации одной только матрицы. С увеличением же напряжения величина u прямолинейно понижается, так что аналогично (III.12) можно принять для случая растяжения (рис. 174)

В случае сжатия u = u0 = 0,26 остается постоянным в пределах обычно действующих напряжений (рис. 174), как в идеально упругом материале, в более же напряженной области u резко увеличивается и достигает значения 0,5 и больше, что свидетельствует об увеличении объема образца в условиях сжатия.

В противоположность серому чугуну, чугун с шаровидным графитом ведет себя в большом интервале напряжений аналогично стали, хотя имеются и некоторые различия: модуль упругости его немного ниже, на кривой растяжения отсутствует площадка текучести, а пределы упругости и текучести при сжатии несколько больше, чем при растяжении (рис. 175, а и б). В области же выше предела упругости полости, занятые графитом, и в этом случае несколько увеличиваются в объеме, хотя значительно меньше, чем в сером чугуне. Это увеличение объема, происходящее вследствие того, что продольные деформации больше поперечных, частично обратимо, частично необратимо. Однако указанные изменения мало влияют на коэффициент Пуассона, который начинает увеличиваться только с образованием пластических деформаций.

Таким образом, отступления от закона Гука, характерные для графитизированного чугуна, главным образом серого (оп этого чугуна = 0,5/0,7 кГ/мм2), являются следствием не только раннего образования пластических деформаций, но и возрастающих с напряжениями упругих деформаций полостей графита. Как видно из рис. 176, эти отступления возрастают с увеличением количества и размеров графитных выделений, а следовательно, с понижением марки чугуна. Однако с увеличением числа циклов (нагрузки и разгрузки)образование остаточных деформаций замедляется, и после 50—100 циклов чугун (даже серый) начинает вести себя как упругий материал (рис. 177). В обычных же условиях, характеризуя упругие свойства серого чугуна, следует различать модуль упругости при малых нагрузках (E0), определяемый углом касательной к начальной точке кривой и средний или эффективный модуль упругости (E), характеризующий величину упругих деформаций при данном напряжении.


Большое значение для чугуна как конструкционного материала имеют также его неупругие свойства, определяемые внутренним трением, вследствие чего циклические нагружения чугуна, в противоположность идеально упругому телу, совершаются с потерей энергии, превращающейся в теплоту, и, таким образом, колебания с той или иной скоростью гасятся (амортизируются). Величина потери энергии определяется площадью петли кривой «напряжение—деформация», так как они обусловливаются отставанием по фазе деформаций от напряжений, в частности образованием необратимых деформаций. Из сказанного ясно, что эти явления особенно резко проявляются в сером чугуне, где вследствие неоднородности структуры и наличия пластинчатого графита циклические колебания затухают быстрее, чем в других сплавах (рис. 178, а), вследствие образования микросдвигов и пластических деформаций. Это свойство амортизации (циклическая вязкость или демпфирующая способность) может определяться при любом виде нагружения и измеряется либо логарифмическим декрементом, представляющим натуральный логарифм отношения амплитуд двух последовательных колебаний при свободном затухании (bц), либо аналогичной величиной, вычисленной из резонансной кривой при сохраняющейся нагрузке (b'ц), либо отношением величины потери энергии ко всей упругой энергии цикла (ф):

ANx — разница между двумя частотами по обе стороны резонансной частоты соответственно одной и той же амплитуде Aх;

Pn и Pn+1 — энергии двух последовательных колебаний.

Циклическая вязкость характеризует не только ограничение амплитуд вынужденных и резонансных колебаний, но и опасность разрушения конструкции из-за резонанса колебаний, она в известной мере определяет чувствительность к надрезам в условиях знакопеременной нагрузки и конструкционную прочность отливок, а также некоторые физические свойства чугуна, например, термостойкость.

Согласно И.В. Кудрявцеву, сопоставление циклической вязкости стали и чугуна характеризуется данными рис. 178, б. Усматривается, что серый чугун имеет в этом отношении большое преимущество не только перед сталью, но и по сравнению с высокопрочным чугуном. При этом можно видеть, что циклическая вязкость в сером чугуне интенсивно растет уже при самых малых напряжениях, в высокопрочном чугуне этот интенсивный рост начинается позже (при о = 5 кГ/мм2), в стали же циклическая вязкость начинает быстро расти только при напряжениях около 10 кГ/мм2, а до этого остается практически без изменения на очень низком уровне. Поэтому циклическую вязкость разных сплавов сопоставляют часто при разных напряжениях, например, при 1/3о0,2. Однако и в этом случае преимущества серого чугуна резко выявляются:

Указанное превосходство серого чугуна проявляется также при сопоставлении значений логарифмического декремента:

Основной структурной фазой, повышающей величину циклической вязкости чугуна, является графит, который сам характеризуется большой демпфирующей способностью: чем больше его количество и крупнее его выделения, тем выше циклическая вязкость (рис. 179). При этом междендритный графит понижает ее так же, как и прочность, что в некоторой мере оправдывает имеющиеся в литературе утверждения о связи между прочностью и циклической вязкостью (рис. 178, в). Однако эта связь далеко не однозначна, так как в противоположность прочности циклическая вязкость в малой степени зависит от структуры матрицы, хотя некоторое повышение циклической вязкости с процессом ферритизации и наблюдается. Наибольшей циклической вязкостью характеризуется мартенситная структура. Поэтому отпуск после закалки понижает демпфирующую способность, а ферритизация матрицы несколько повышает ее, что видно из следующих данных:

Несколько лучшей является корреляция между циклической вязкостью и модулем упругости, так как оба эти свойства главным образом зависят от графита. Однако и в этом отношении имеются противоречия, в частности междендритный графит в сильной степени понижает циклическую вязкость, но не влияет на модуль упругости. В силу указанного связь циклической вязкости с модулем упругости и тем более с прочностью часто нарушается и характеризуется большими колебаниями:

Поэтому возможно подобрать чугун, который характеризовался бы одновременно как повышенными значениями прочности и модуля упругости, так и удовлетворительной циклической вязкостью.

С модулем упругости и с циклической вязкостью тесно связаны и акустические свойства, который также определяются внутренним трением. Например, скорость звука при продольных волнах выражается

где d — плотность в г/см3;

u — коэффициент Пуассона.

Пользуясь этим выражением, можно рассчитать скорость звука для разных металлов (табл. 12).



Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна