Прочность чугунов при растяжении

Для определения прочности и пластичности чугун чаще всего испытывают на растяжение и изгиб, реже — на сжатие и еще реже — на срез и кручение, хотя для характеристики этих свойств могут быть использованы и другие виды нагружения. Испытание на растяжение применяется для всех видов чугуна, на изгиб же — главным образом для серого чугуна, так как удлинение его при растяжении мало, а испытание на изгиб с определением стрелы изгиба позволяет приближенно характеризовать его пластичность. Все эти виды испытаний характеризуются разным распределением напряжений по сечению, разной жесткостью нагружения и разной зависимостью от структуры. Поэтому пересчет показателей прочности и пластичности с одного метода испытания на другой является сложной задачей. Общий характер изменения этих свойств в зависимости от формы и распределения графита и структуры матрицы чугуна представлен в табл. 13. Показатели прочности и пластичности сильно варьируют в зависимости от структуры матрицы и количества, формы и распределения графита в чугуне.

Для белого чугуна определяющим параметром является количество перлита в структуре, с увеличением которого (за счет уменьшения количества цементита) повышается прочность и пластичность металла:

В графитизированных чугунах структура матрицы влияет таким образом, что увеличение количества перлита повышает прочностные и понижает пластические свойства (табл. 13). При этом во всех случаях механические свойства чугуна, в частности серого, в значительной степени зависят и от дисперсности перлита:

Наивысшей прочностью, таким образом, характеризуется бейнитная структура, наинизшей — мартенситная. Принципиально таково же влияние металлической основы на механические свойства ковкого и высокопрочного чугунов, в частности, как видно из табл. 13, ферритизация структуры понижает их прочность и увеличивает пластичность. Еще интенсивнее связь с первичной кристаллизацией, причем некоторые исследователи, в частности В. Паттерсон придает большое значение размерам и форме дендритов первичного аустенита, с удлинением которых прочность чугуна повышается. С другой стороны, Э.Я. Храпковский уделяет исключительное внимание эвтектическому зерну, с измельчением которого механические свойства чугуна возрастают. И действительно, такая зависимость часто, хотя и не всегда, подтверждается (рис. 183), что связано также с упрочнением межзерновых прослоек.

Трудность выявления этой зависимости заключается в одновременном изменении других параметров первичной структуры с изменением величины эвтектического и аустенитного зерна, в том числе величины, формы, распределения и количества графита, которое оказывает большое влияние на механические свойства чугуна. Так, например, можно уверенно утверждать, что с измельчением пластинчатого графита повышаются не только прочность, но и пластичность серого чугуна, хотя следует иметь в виду, что при образовании графита междендритной ориентации механические свойства серого чугуна обычно понижаются, несмотря на уменьшение размеров графитных выделений, что связано с укрупнением первичного зерна и образованием феррита:

Примерно так же действует уменьшение количества графита, что справедливо не только для серого, но и для ковкого чугуна:

Однако в противоположность пластинчатому графиту укрупнение углерода отжига не является отрицательным фактором и даже повышает механические свойства ковкого чугуна, особенно его пластичность, что, по-видимому, объясняется меньшим значением ао:

Наименьшее же влияние на механические свойства чугуна оказывают количество и величина выделений шаровидного графита, характеризующегося наиболее правильной, даже идеальной формой; при этом размеры графита не оказывают большого влияния, так как с их уменьшением улучшается его форма, но увеличивается значение ао.

Таким образом, можно прийти к общему заключению, что прочностные и пластические свойства чугуна зависят как от характера графита, так и от структуры матрицы; следовательно, их можно выразить как функции модуля упругости и твердости чугуна:

где Kпр и Кпл — коэффициенты пропорциональности;

а, b, с, d — показатели степени, характеризующие относительную зависимость прочности и пластичности от модуля упругости (графита) и твердости (матрицы) и меняющиеся в зависимости от типа нагружения.

Из приведенных выражений ясно, что прочность возрастает с увеличением модуля упругости и твердости, пластичность же возрастает с увеличением модуля упругости, но понижается с увеличением твердости. Исходя из (III.21) и (III.22), следует, очевидно, считать необоснованными зависимости прочности и пластичности от одного какого-либо свойства (E0 или HB). Действительно, как видно из рис. 184, разные исследователи различно оценивают зависимость предела прочности при растяжении от твердости, что объясняется разным количеством и разной величиной графитных выделений в чугунах. Особенно резко это проявляется на сером чугуне, где графит оказывает наибольшее влияние на прочностные свойства. В этом случае такая зависимость не может быть установлена еще и потому, что природа указанных свойств различна: твердость определяет сопротивление пластическим деформациям, а предел прочности при растяжении серого чугуна — сопротивление отрыву. По этой же причине некоторые рекомендуемые в литературе для серого чугуна формулы подобного рода дают совершенно невероятные результаты при применении в широком диапазоне значений свойств. Например, формула

дает отрицательное значение при HB 100. Такие зависимости не приемлемы также для ковкого чугуна, прочность которого сильно зависит от количества углерода отжига при одной и той же ферритной структуре, а значит, практически при одной и той же твердости (рис. 184). Лучшая корреляция между этими свойствами получается на высокопрочном чугуне (рис. 184), где количество графита при правильной шаровидной форме оказывает на прочность сравнительно небольшое влияние. Однако и в этом случае разброс значений твердости при одной и той же прочности слишком велик, чтобы можно было говорить о какой-то однозначной зависимости. Более обоснованными являются зависимости между пределом прочности при сжатии и твердостью, например:

Ho и эта зависимость не отличается достаточно хорошей корреляцией, так как сопротивление сжатию зависит от графита в гораздо большей степени, чем твердость. Однако ни в этом случае, ни тем более, при определении предела прочности при растяжении не может быть также однозначной связи с одним только модулем упругости, так как кроме графита большое значение имеет структура металлической основы чугуна. Очевидно, что такая зависимость может быть более или менее справедливой лишь при одной и той же структуре матрицы. Только в этом случае, следовательно, и возможна взаимосвязь между прочностью и зависимыми от модуля упругости свойствами, например, резонансной частотой чугунных отливок (рис. 185). Общей и наиболее правильной является зависимость (III.21), которая в упрощенном виде обычно представляется

Вследствие этого упрощения точность формулы несколько снижается и коэффициент пропорциональности становится зависимым от типа чугуна, возрастая с повышением его свойств

Таким образом, коэффициент К является в некотором роде показателем качества чугуна, так как с его увеличением прочность возрастает даже при неизменных значениях E0 и HB. Так, например, показано, что значение К возрастает с размельчением эвтектического зерна, в то время как E0 и HB остаются при этом без изменения. Однако следует иметь в виду, что зависимость (III.24) справедлива только в определенных пределах твердости. Например, в случае перехода к мартенситной структуре твердость повышается, а прочность понижается. То же имеет место при образовании большого количества свободных карбидов. В связи с этим прочность отбеленного чугуна возрастает только при увеличении твердости до HB 240—340 (в зависимости от структуры), с дальнейшим же увеличением твердости прочность уменьшается.

Зависимость пластичности от модуля упругости и твердости в общем виде представляется формулой (III.22). Для серого чугуна экспериментальные данные приведены на рис. 186 и описываются уравнением

Для ковкого и высокопрочного чугуна коэффициент пропорциональности возрастает до (10/50)*10в-3 при значениях удлинения от 2 до 20%. Сопоставляя (III.21) и (III.22) или (III.24) и (III.25), можно выразить соответственно в общем (III.26) или частном (III.27) виде весьма важную и принципиальную зависимость между прочностью и пластичностью чугуна, характеризующую его качество:

Анализ этих уравнений показывает, что пластичность чугуна, в противоположность стали, может понижаться или, наоборот, возрастать с увеличением прочности: все зависит от того, за счет чего повышается прочность. Если это происходит за счет блокирования плоскостей скольжения, в частности за счет увеличения количества или размельчения перлита, то пластичность уменьшается. Если увеличение прочности происходит за счет улучшения формы или уменьшения количества включений графита, то увеличивается модуль упругости и пластичность повышается одновременно с прочностью. Поэтому между прочностью и пластичностью не может быть однозначной связи, как это и подтверждается характером областей рис. 187 для серого, ковкого и высокопрочного чугунов. При этом анализ области ковкого чугуна (и подобно ему других чугунов) показывает, что при одной и той же структуре матрицы (например, ферритной; на рис. 187, а заштрихована) удлинение возрастает с повышением прочности, как это следует из данных ГОСТа (табл. 14). При изменении же только матрицы без существенного изменения количества и формы графита, как это показано стрелкой на рис. 187, а, удлинение падает с повышением прочности, как у стали. В этом характерная и важнейшая особенность механических свойств чугуна, которую следует учитывать не только в теории, но и на практике, так как она дает ключ к пониманию природы чугуна и позволяет произвольно повышать или понижать то или иное механическое свойство путем воздействия на основную металлическую массу или на количество и форму графита. Так, например, для анализа свойств чугуна можно использовать отношение е ou/fупр, пропорциональное, как видно из (III.6), модулю упругости. Из предыдущего ясно, что это отношение характеризует почти исключительно количество и форму графита, а не основную массу чугуна. Чем больше это отношение, тем более благоприятна форма графита. Например, чугуну с крупным графитом соответствует ou/f600 меньше 3,3; с мелким графитом — ou/f600 = 3,3/5,5; со структурно-свободными карбидами — ou/f600 больше 5,5. На этом основании, очевидно, легко возможен анализ причин высокой или низкой прочности серого чугуна. Так, высокое отношение ou/f600 при низком значении ou показывает, что причиной малой прочности чугуна является его основная масса. При малом же значении причиной пониженной прочности является ou/f600 неблагоприятная форма графита.

Большое теоретическое и практическое значение имеет вопрос соотношения между различными показателями прочности и пластичности, что дает возможность по результатам одного испытания судить о других характеристиках механических свойств соответственно тому напряженному состоянию, которое возникает во время службы детали. Эти соотношения (табл. 15), по предложению И.А. Одинга называемые коэффициентами эквивалентности, оказываются особенно сложными для чугуна, свойства которого в различной степени зависят от его основной массы, формы и количества графита и неоднородности структуры.

Из данных таблицы можно видеть, что чугун, особенно перлитный, характеризуется высоким отношением предела текучести к пределу прочности (о0,2:ов), что составляет немаловажное его преимущество как конструкционного материала. Другое весьма ценное конструкционное свойство чугуна — это его высокая прочность при сжатии, вследствие чего чугун наиболее выгодно применять в таком напряженном состоянии. Соответствующий коэффициент эквивалентности ос:ов, как видно из табл. 15, колеблется в больших пределах (2,2—4,5), и тем больше, чем ниже марка чугуна. Указанное объясняется тем, что графит не влияет на сопротивление сжатию столь отрицательно, как на сопротивление растяжению.

Большим преимуществом чугуна как конструкционного материала является также его высокий коэффициент эквивалентности при изгибе (1,6—2,4), который увеличивается с понижением прочности, что требует специального анализа. В отличие от растяжения и сжатия изгиб характеризуется неравномерным распределением напряжений по сечению — от нуля в нейтральной плоскости до максимума в наиболее удаленных от нее поверхностях. Вследствие равновесия суммы действующих по сечению бруска сил и моментов всегда равны нулю. При этом часть сечения (например, над нейтральной плоскостью) растянута, другая (под нейтральной плоскостью) — сжата. Существование при изгибе растягивающих и сжимающих напряжений привело к мнению, что характеристики прочности при изгибе (например, предел прочности ou) должны занимать среднее место между соответствующими характеристиками растяжения и сжатия. Хотя последнее положение практически правильно и oc > оu > ов, указанная теоретическая предпосылка неверна.

Ответственными за разрушение при изгибе всегда являются наиболее напряженные растянутые волокна в выпуклой части бруска. Образование в них трещин перемещает максимум Oраст к следующим волокнам, и трещина, таким образом, постепенно увеличивается и распространяется на все сечение. Поэтому разрушение при изгибе по своей природе является разрушением от растягивающих напряжений и вовсе не определяется сжимающими напряжениями. Можно было бы, следовательно, ожидать, что оu должно быть равно ов. Между тем, как указывалось, соответствующий коэффициент эквивалентности значительно больше единицы. Причина этого заключается в следующем. Прежде всего необходимо отметить, что математическое определение предела прочности при изгибе производится на основе закона Гука, согласно формуле (III.5). Эта формула предполагает, что нейтральная ось проходит через центр тяжести и что напряжения по сечению располагаются строго пропорционально расстоянию от нейтральной осп (по закону прямой линии). И то и другое неверно для любого материала, в особенности для чугуна, и вызывает увеличение коэффициента эквивалентности ou:ов. Представим себе брусок в момент разрушения. Нейтральная его плоскость остается без деформаций и напряжений. По мере удаления от нее (рис. 188, точка О) деформации увеличиваются и в крайних волокнах (на расстоянии Л) достигают значения е. Если бы напряжения при этом были строго пропорциональны деформациям, то они располагались бы по прямой OA и в наружном волокне (h) в момент разрыва возникли бы напряжения соответственно пределу прочности при растяжении ов. Однако на самом деле деформации располагаются по какой-то кривой ONA, и поэтому каждому расстоянию х от нейтральной оси соответствует некоторое напряжение, большее, чем при прямолинейном распределении деформаций (ок>о). Вследствие этого сумма моментов всех сил, действующих в сечении, оказывается больше, и определяемый предел прочности при изгибе, согласно формуле (III.5), фиктивно увеличивается.

Другая причина неравенства ou=/=oв лежит в перемещении нейтральной оси в сторону сжатой части, которое возрастает с нагрузкой и достигает примерно 8—10% от высоты бруска. Это объясняется тем, что для сохранения равновесия моменты сил, действующие в растянутой в сжатой частях, должны быть равны, что при условии Eс > Ер может иметь место только в случае перемещения нейтральной оси к сжатой части. Это приводит к повышению высоты h и момента сопротивления W растянутой части сечения, а значит и к увеличению момента действующих сил. Поэтому перемещение нейтральной оси вызывает дальнейшее фиктивное повышение предела прочности при изгибе. Наконец, неравномерность распределения напряжений при изгибе и понижение их значений в близлежащих к нейтральной оси волокнах уменьшают объемную напряженность и действие графита как надреза. Поэтому сопротивление разрушению при изгибе повышается не только фиктивно (по ранее указанным двум причинам), по и в действительности, и характер зависимости ou:oв от основной массы и графита отличается несколько от подобной зависимости при растяжении. Значение коэффициента эквивалентности при изгибе (ou:ов) зависит, таким образом, от формы кривой пластических деформаций (ONA) и количества и формы графита в чугуне.

Таким образом, расчеты но стандартной формуле дают фиктивные значения напряжений при изгибе. Истинные же напряжения, рассчитанные по экспериментально определенным деформациям, значительно меньше и близки к напряжениям при растяжении. Используя теорию упруго-пластического состояния, можно показать, что истинный момент, действующий в сечении, составляет

где Мскор — скорректированный момент действующих сил; Mрасч — расчетный момент по закону Гука;

J — момент инерции бруска;

h — высота бруска;

а — отношение части сечения, находящейся в чисто упругом состоянии по всему сечению.

Из этого следует, что скорректированное напряжение при изгибе

или, принимая приближенно а = fупр/f, получим:

Экспериментальная проверка этой формулы показала, что оскор довольно близко к реальному экспериментально измеренному напряжению. Что касается стрелы прогиба, то, как видно из табл. 14, она растет с прочностью чугуна и согласно может быть выражена

Однако, как уже указывалось, стрела прогиба только в самом грубом приближении определяет пластичность чугуна. Значительно характерней в этом отношении угол загиба, определение которого вводится иногда в технические условия для оценки пластичности ковкого и высокопрочного чугунов. Так, например, для отливок из высокопрочного чугуна, работающих при высоком давлении (до 40 aт) и повышенной температуре (до 400°С) обусловлены за рубежом следующие нормы:

В некоторых случаях прочность чугуна проверяется методом давления в клиньях (ГОСТ 2861—45). Этот метод особенно полезен при испытании тонкостенных отливок, из которых невозможно изготовить образец для испытания на растяжение или изгиб. Получаемая при этом методе прочность (окл) серого чугуна несколько меньше предела прочности при растяжении (табл. 15). В ковком же и высокопрочном чугуне коэффициент эквивалентности окл:ов близок или даже несколько больше единицы.

Анализируя далее данные табл. 15, можно видеть, что предел прочности при срезе серого чугуна несколько больше, чем при растяжении, что вполне естественно, так как сопротивление отрыву достигается в этом случае раньше, чем сопротивление срезу. В пластичных же чугунах, разрушение которых при растяжении происходит от касательных напряжений, коэффициент эквивалентности тср:ов, как и надо было ожидать, наоборот, близок или несколько меньше единицы. При кручении же распределение напряжений неравномерно по сечению подобно тому, что имеет место при изгибе. Поэтому коэффициент эквивалентности ткр:ов больше, чем при срезе, и понижается с улучшением формы графита и с повышением марки чугуна (табл. 15), оставаясь несколько больше единицы даже в чугунах с высокой пластичностью.

Что касается коэффициентов эквивалентности пластичности, то, как видно на табл. 15, сужение поперечного сечения весьма близко или только немного превосходит по величине удлинение (w:b = 1,0:1,2), что объясняется малым развитием местной деформации. Соотношение же относительного удлинения при кручении и удлинения при растяжении (у:b) очень велико; оно значительно больше теоретического, которое в соответствии с третьей теорией прочности должно быть у = 2b. Это соотношение тем больше, чем крупнее и острее выделения графита, так как надрезы более интенсивно влияют на б, чем на у.