Ударная вязкость чугуна

21.10.2019

Вне зависимости от способа определения, будь то при статической или динамической нагрузке, вязкость во всех случаях измеряется произведенной работой. При статических методах испытания произведенная работа может быть определена как в упругом интервале, так и при разрушении. При этом величина работы в области упругих деформаций представляет интерес потому, что детали обычно не нагружаются выше этого предела. Принимая прямолинейное изменение упругих деформаций (по закону Гука), можно с достаточной степенью точности определить максимальную удельную работу упругих деформаций при помощи выражения
Ударная вязкость чугуна

где оупр.макс — максимальная удельная (на ед. объема) работа упругих деформаций, равная площади треугольника под соответствующей кривой деформаций;

о — предел упругости, пропорциональности или текучести;

F и l — сечение и длина образца.

Значение этой характеристики, которую можно назвать также удельной упругой работоспособностью материала, составляет по данным Н.Т. Санникова 3,2 кГ*см/см3 для высокопрочного чугуна против 1,44 для Ст. 5. Такое преимущество чугуна перед сталью является следствием меньшего значения E0 и большего значения о у высокопрочного чугуна. Результаты сравнения чугуна и стали изменятся, конечно, если сопоставить удельную работу их разрушения и, следовательно, всю площадь под кривой «напряжение — деформация»:

где К — коэффициент, характеризующий кривизну кривой деформации (сопоставляя треугольник с четвертью окружности, можно видеть, что 1,6 > К > 1,0).

Принимая среднее значение К = 1,3, можно сопоставить работоспособность разных материалов по приводимым ниже значениям ударной вязкости ан макс в кГ*см/см3:

Эту работоспособность можно, конечно, определить и при других методах испытания, в частности при изгибе, что весьма целесообразно для серого чугуна. Во всех этих случаях главное значение приобретает пластичность материала, и все преимущества оказываются поэтому на стороне сплавов с наибольшей пластичностью. Высокие свойства в этом отношении гарантируют от разрушения в условиях случайных больших ударных нагрузок. О том же можно судить по величине ударной вязкости, определяемой однократным или многократным приложением нагрузки. Несмотря на всю условность этих характеристик и малую применимость их в конкретных расчетах, испытания эти, особенно однократным приложением нагрузки, получили широкое распространение и для высокопрочного чугуна обусловлены даже ГОСТом (табл. 14) и зарубежными стандартами.

Однако, пользуясь характеристикой ударной вязкости, следует иметь в виду, что она в сильной степени зависит от масштабного фактора (размеров и формы образца), наличия и типа надреза, температуры, мощности копра, скорости удара и т. п. Поэтому сопоставление ударной вязкости разных сплавов возможно только при самом строгом соблюдении всех условий испытания. Основной целью при этом является определение сравнительной склонности к хрупкому разрушению, т. е. к переходу в хрупкое состояние. В наилучшей степени, как уже указывалось, это возможно путем проведения серийных испытаний с постепенным усилением какого-либо фактора, способствующего разрушению от отрыва. Чаще всего для этой цели пользуются снижением температуры. При этом выявляется не только величина ударной вязкости при нормальной температуре, но и критическая температура перехода из вязкого состояния в хрупкое (порог хрупкости), значения ударной вязкости в вязком и хрупком состояниях, а также температурный запас вязкости, который согласно Н.Н. Давиденкову, определяется как отношение

где T0 — абсолютная рабочая температура;

Tкр — температурный порог хрупкости (верхний, нижний или средний).

Таким образом, понижение Tкр увеличивает безопасность работы отливки и, следовательно, характеризует более высокие свойства сплава. Па рис. 189 в качестве примера представлено влияние температуры и надреза па ударную вязкость высокопрочного чугуна. Видно, что в известных пределах температура не оказывает большого влияния ни в чисто вязком, ни в чисто хрупком состоянии, но резко понижает ударную вязкость в переходном интервале. Влияние надреза сказывается в этом периоде также в максимальной степени. Как видно из рис. 189, надрез не только снижает максимальную ударную вязкость (в вязком состоянии), но и передвигает вправо (в сторону более высоких температур) всю кривую температурной зависимости ударной вязкости. Вследствие этого соотношение между свойствами образцов без надреза и с надрезом находится в зависимости от состояния материала, в частности от температуры испытания, и проходит через максимум, соответствующий положению (температуре), при котором образец с надрезом находится в хрупком состоянии, а образец без надреза — в вязком состоянии.

Таким образом, надрез оказывает большое влияние на поведение чугуна при ударных нагрузках, и в связи с этим возникает вопрос, какому образцу отдать предпочтение. В пользу образцов без надреза приводятся обычно два соображения: более высокое значение ударной вязкости и лучшая оценка свойств материала, поскольку разрушение не фиксируется в определенном месте сечения, а охватывая определенный объем металла, может произойти в наиболее слабом сечении, что лучше оценивает литой материал с его неравномерно распределенными по объему пороками. В пользу же образцов с надрезом высказываются соображения о большей чувствительности их к факторам, способствующим хрупкому разрушению, и о возможности сопоставления ударной вязкости чугуна и других конструкционных материалов, в частности стали, так как последние испытываются исключительно на образцах с надрезом. Поэтому целесообразно, когда это возможно, производить испытания обоими методами, помня, однако, что получаемые при этом результаты не всегда пропорциональны. В случае же, когда нужно выбирать один метод, предпочтение должно быть отдано образцам без надреза для малопластичных чугунов и с надрезом — для высокопластичных. В обоих случаях оценка ударной вязкости производится затраченной энергией па единицу сечения (ан в кГ*м/см2), хотя по существу энергию эту воспринимает какой-то объем образца, вследствие чего в некоторых странах (Англия, США) ударная вязкость оценивается абсолютной работой разрушения образца (Aн в кГ*м).

С характером разрушения тесно связан и вид излома пластичных чугунов. Вязкое разрушение, происходящее по зернам, сопровождается обычно темным изломом, хрупкое — светлым изломом образцов (рис. 190). В тех же случаях, когда излом носит комбинированный характер (частично вязкий, частично хрупкий), в нем имеются как темные, так и светлые места. Таким образом, по характеру излома можно в известной степени судить об ударной вязкости чугуна. Однако удовлетворительное соответствие при этом получается только на образцах с надрезом. Оценка ударной вязкости может быть в этом случае приближенно сделана по принятой балльной системе.

Характеризуя связь между разными свойствами чугуна, следует указать, что ударная вязкость ковкого и высокопрочного чугунов наилучшим образом согласуется с их пластичностью. В связи с этим наблюдается хорошая корреляция между значениями ударной вязкости этих чугунов и их твердостью (рис. 191, а). На сером же чугуне влияние твердости (при одном и том же графите) практически незаметно. Таким образом, структура матрицы оказывает четкое влияние только в пластичных чугунах: чем больше количество перлита в их структуре, тем ниже ударная вязкость и выше порог хрупкости. Указанное хорошо иллюстрируется данными по высокопрочному чугуну, приведенными на рис. 192.

Еще ярче проявляется влияние графита, особенно его формы. Поэтому, как видно из рис. 191, а, ударная вязкость ковкого и высокопрочного чугуна значительно выше, чем серого, однако эта разница уменьшается по мере увеличения твердости чугуна вследствие понижения ударной вязкости. Из этого следует, что преимущества шаровидных и компактных форм графита проявляются главным образом при ферритной структуре. Ударная вязкость этих чугуиов тем выше, чем меньше количество графита:

Измельчение же графита не только не увеличивает, а наоборот, уменьшает ударную вязкость ковкого (и высокопрочного) чугуна, а по некоторым данным понижает порог хрупкости. Таким образом, величина выделений углерода отжига действует на ударную вязкость так же, как и на удлинение.

Благоприятное влияние на ударную вязкость пластичных чугунов оказывают также и более топкие структурные факторы: измельчение зерна феррита и увеличение чистоты границ зерен. С последним фактором связана отпускная хрупкость ковкого, высокопрочного к даже серого чугуна, которую А. Витмозер предложил называть «ферритной хрупкостью», так как она образуется после ферритного отжига (а не закалки) и последующей выдержки при 400—500° С или при новом нагреве до этих температур с последующим быстрым охлаждением. При этом вязкость часто понижается без изменения пластичности. Наиболее вероятной причиной отпускной (ферритной) хрупкости раньше считали выделение некоторых фаз (карбидов, фосфидов, нитридов) по границам зерен и мозаичных блоков. В настоящее время мнения все больше склоняются к тому, что причиной резкого снижения вязкости при отпускной (ферритной) хрупкости является химическая микронеоднородность но кремнию, фосфору, азоту, что вызывает межкристаллитное разрушение. При этом излом приобретает белый цвет, что объясняет название этого явления в ковком чугуне («белый излом»). Все факторы, понижающие ударную вязкость чугуна и повышающие его температурный порог хрупкости, обычно способствуют развитию отпускной хрупкости.

Что касается усталостной вязкости или усталостного удара, определяемого при многократном приложении нагрузки, то это свойство определяется либо числом ударов Nк, либо возрастающей высотой падения бабы Нк, либо потраченной энергией ак кГ*м/cм2 до момента разрушения образца. При этом образец может либо оставаться неподвижным, либо после каждого удара поворачиваться на 90 или 180°. Это является, таким образом, циклическим (усталостным) испытанием, что по природе отлично от испытания однократным приложением удара. Поэтому между ударной вязкостью и усталостным ударом по существу нет удовлетворительной взаимосвязи, хотя оба свойства являются функциями как прочности, так и пластичности:

Однако сопротивление многократным ударам, как усталостное свойство, зависит главным образом от прочности сплава (рис. 191, б), в то время как ударная вязкость является преимущественно функцией пластичности. Это несоответствие между указанными свойствами хорошо иллюстрируется данными И.О. Цыпина:

Из этих данных ясно, что на сопротивлении многократному удару перлитная структура не отражается столь отрицательно, как на ударной вязкости. В ряде случаев это влияние оказывается даже положительным.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна