CC BY
37
УДК 621.78
ВПЛИВ СТРУКТУРИ МАТРИЦІ НА ВЕЛИЧИНУ ПОВЕРХНЕВОЇ ТА ОБ’ЄМНОЇ ТВЕРДОСТІ ВИСОКОМІЦНОГО
ЧАВУНУ
Л.Л. Костіна, доцент, к.т.н., ХНАДУ
Анотація. Досліджено вплив структури матриці високоміцного чавуну на величину поверхневої та об ’ємної твердості. Існує кореляція між значеннями твердості, що вимірюють стандартними та новими методами. В трости-тному чавуні пластична деформація при вдавлювання індентора здійснюється не монотонно, а ступінчасто.
Ключові слова: високоміцний чавун, деформація, поверхнева та об ’ємна твердість.
Вступ
Високоміцні чавуни є особливим класом матеріалів. В деяких випадках їх представляють як матеріали, які мають досить пластичну і міцну основу (сталеву), в якій розташовані графітні включення. Тому проходження в них пластичної та пружної деформації під час навантаження, наприклад, при вимірюванні твердості, має вплив на результати вимірювання твердості.
Аналіз публікацій
Відомий закон наявності пружної деформації при пластичному деформуванні декларує, що загальна деформація містить як пластичну, так і пружну складові [1]. Деформація окремих зерен полікристала здійснюється ковзанням (двійникуванням); але різна орієнтація площин ковзання в окремих зернах призводить до неодночасного початку пластичної деформації в них. В першу чергу пластична деформація виникає в зернах з найбільш сприятливою орієнтацією площин ковзання, такою, при якій вони співпадають з площинками дії найбільших дотичних напружень. Інші зерна деформуються пружно і можуть отримувати лише відносне зміщення. При лінійному стисканні найбільш сприятливу орієнтацію для початку пластичної деформації мають зерна, в яких площини ковзання розташовані під кутом 45° до напрямку дії зовнішньої сили. Зі збільшенням дефор-
муючих сил дотичні напруження, що діють у менш сприятливо орієнтованих площинах ковзання, досягають величини, необхідної для початку пластичної деформації. Пластична деформація розповсюджується на все більшу кількість зерен полікристалу. При лінійному стисканні нормальне напруження, що відповідає включенню в пластичну деформацію переважної більшості зерен металу, є границею текучості. Різний напрямок площин ковзання і, внаслідок цього, різний напрямок зсувів у сусідніх зернах, призводять до натискання одного зерна на інше, і спричиняють виникнення концентрації напружень. Якщо локальні напруження здатні кликати зміщення однієї частки кристаліта відносно іншої, поверхня зерен стає додатковим джерелом дислокацій.
Іноді для характеристики процесів деформування будують криві зміцнення в координатах відносне подовження - напруження текучості, або в координатах відносне звуження -напруження текучості [2]. Залежність напруження текучості від деформації для міді, латуні, дуралюміну та сталі 40ХНМА має однаковий характер, відповідає типу у=х1/2. Різним є рівень значень напружень текучості (для міді - найменші, для сталі - найвищі). Тобто приріст напруження текучості за тієї самої зміни відносного звуження однаковий для цих матеріалів. Можливо, це пов’язано з приблизно однаковою часткою зерен із сприятливою орієнтировкою в цих матеріалах.
Для високолегованої сталі (45Х14Н14В2М, 12Х18Н9Т) ця залежність має крутіший характер: у=тх1'2, де т не менше 2. Тобто за тих же значень відносного звуження напруження текучості значно більші, потрібні більші напруження (і навантаження) для початку і розвитку пластичної деформації. Тому можна сказати, що у високолегованих сталях кількість зерен із сприятливою орієнтиров-кою є значно меншою. Можливо, при стисканні високоміцних чавунів, що містять досить великий відсоток вуглецю, кремнію, та ще й модифікаторів, кількість зерен із сприятливою орієнтировкою також є невеликою. Це може бути однією з причин невисокої пластичності чавунів.
Слід зауважити, що умови навантаження матеріалу під час вимірювання твердості шляхом вдавлювання індентора відповідають умовам лінійного стискання. Високоміцний чавун при навантаженні та розвантаженні, мабуть, можна представити як композиційний матеріал з металевою матрицею та включеннями графіту. Тому і показники міцності (границя міцності, і, мабуть, границя текучості та ін.) підлягають закону адитив-ності [3]. Так, границя міцності для чавуну з однофазною структурою матриці оч
Оч = Ом (1-Кг) + Ог V , (1)
де Оч , Ом , ог - границі міцності відповідно всього чавуну, основної складової (матриці) та графіту; (1-Кг) - відповідно об’єми матриці та графіту. Оскільки вміст вуглецю і легуючих елементів у цих фазах суттєво відрізняється, то не тільки їх міцність, але й поведінка при навантаженні буде також суттєво відрізнятись. Властивості для чавуну в цілому будуть визначатись кількістю і хімічним складом фаз, величиною навантаження, кількістю зерен із сприятливою та несприятливою орієнтацією площин ковзання в кожній фазі.
Мета та постановка задачі
Метою роботи було визначити вплив вихідної структури, а саме структури металевої матриці, на поверхневу та об’ємну твердість високоміцного чавуну за різних навантажень. Для цього досліджували зміну поверхневої та об’ємної твердості, що вимірювали та підраховували різними способами, в чавунах з феритною і троститною структурою матриці.
Матеріал і методика дослідження
В роботі досліджували високоміцні чавуни з кулястим графітом такого хімічного складу, %%: 3,4 - 3,6 С, 2,8 - 3,0 Бі, 0,6 - 0,7 Мп,
0,060 М§, до 0,03 Б. Структурний склад чавунів наведено в табл.1.
Таблиця 1 Структура досліджених чавунів
Чавун Структура
форма графіту розмір графітних включень металева матриця
І 12 - 13, є 5 - 6 45 - 90 100% фериту
ІІ 12 - 13, є 5 - 6 45 - 90 100% троститу
У процесі дослідження визначали твердість чавунів: стандартним методом Брінелля за навантаження 3000 кг, сталевою загартованою кулькою діаметром 10 мм; стандартним методом Роквелла твердосплавним конусом за навантаження 150 кг, твердість на твердомірі Роквелла сталевою загартованою кулькою за навантаженнь 60, 100 и 150 кг, поверхневу та об’ ємну твердість чавунів (вимірювали та розраховували за даними вимірювань на твердомірі Роквелла). Визначали також поверхневу та об’ємну твердість на твердомірі конструкції ХНАДУ [4].
Результати дослідження
Результати дослідження твердості чавунів стандартними методами Брінелля, Роквелла і розрахункові значення поверхневої та об’ємної твердості чавунів (за даними вимірювань на твердомірі Роквелла) наведені в табл. 2.
Таблиця 2 Твердість досліджених чавунів
Чавун, навантаження, Н (кг) Твердість
Нпов, Н/мм2 Ноб, Н/мм3 ИЯ НВ
В С
І, 980 (100) 1623 28271 82 25 156
І, 1470 (150) 2905 59753
ІІ - - - 32 293
Поверхнева твердість, яку рахували за результатами вимірювань на твердомірі Роквелла сталевою кулькою, за невеликого навантаження 980 Н (100 кг) співпадає з тве-
рдістю, що виміряна безпосередньо на твердомірі Брінелля. Збільшення навантаження (до 1470 Н, або 150 кг) підвищує поверхневу твердість відповідно в 1,8 - 2,2 рази.
При вимірюванні твердості на твердомірі конструкції ХНАДУ отримано такі результати (табл. 3, рис. 1, 2). Залежність навантаження від глибини відбитку індентора для обох чавунів має параболічний характер, типу у = тх2, де т ~ 2 для чавуну І і т ~ 2,5-3 для чавуну ІІ. Залежність поверхневої та об’ємної твердості від навантаження має характер параболи типу у = тх 12 .
Таблиця 3 Твердість досліджених чавунів
Чавун Максимальне навантаження, Н Максимальна глибина прон індентора, мм Максимальна твердість
Нпов, Н/мм2 Ноб, Н/мм3
І 2326 0,588 504 2033
ІІ 2339 0,501 580 2695
О
с
X
Навантаження, Н
Рис. 2. Залежність поверхневої твердості від навантаження, зразок ІІ
Пластинки троститу в чавуні ІІ досить дрібні і хаотично розташовані у просторі, тому для здійснення пластичної деформації в кожній партії таких пластинок, що мають відповідну орієнтировку на даний момент, необхідний деякий час і деяке підвищення навантаження (щоб поновити ковзання дислокацій).
Висновки
При вимірюванні поверхневої та об’ємної твердості існує кореляція результатів з тими, отриманими при вимірюванні стандартними методами. Криві залежності поверхневої та об’ємної твердості від навантаження для тро-ститного чавуну, на відміну від феритного, мають сходинки. Це може бути зумовлено поступовістю проходження деформації і необхідністю деякого часу і підвищення навантаження для поновлення ковзання дислокацій в більш твердій структурі.
Навантаження, Н
Рис. 1. Залежність поверхневої твердості від навантаження, зразок І
При цьому твердість (поверхнева та об’ємна) чавуну ІІ вища за аналогічну чавуну І. Тобто поверхнева та об’ємна твердість троститного чавуну більші, ніж феритного.
Слід зазначити, що криві залежності поверхневої та об’ ємної твердості від навантаження для троститного чавуну, на відміну від феритного, мають ступінчастий вигляд. Це, мабуть, зумовлено поступовістю проходження деформації і деякими релаксаційними явищами під час деформації [1], властивими більш міцній троститній структурі.
Література
1. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обра-
ботки металлов давлением. - М.: Машиностроение, 1977. - 423 с.
2. Шофман Л.А. Теория и расчеты процессов
холодной штамповки. - М.: Машиностроение, 1964. - 375 с.
3. Копань В. Композиційні матеріали. - К.:
«Пульсари», 2004. - 191 с.
4. Мощенок В.І., Тарабанова В.П., Глушко-
ва Д.Б. Спосіб оцінки твердості матеріалу. Пат. України ИА 74654 С2,
00Ш3/40. Заявл. 30.12.2003. Опубл. 16.01.2006. Бюл. №1. - 3 с.
Рецензент: А.П. Любченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 30 червня 2009 р.
