CC BY
28
УДК 621.78
ДОСЛІДЖЕННЯ ПОВЕРХНЕВОЇ ТА ОБ’ЄМНОЇ ТВЕРДОСТІ ФЕРИТНОГО ВИСОКОМІЦНОГО ЧАВУНУ
Л.Л. Костіна, доцент, к.т.н., І.Л. Ангерчик, студент, ХНАДУ
Анотація. Досліджено зміну поверхневої та об ’ємної твердості у феритних високоміцних чавунах залежно від розміру графітних включень. Виявлено, що існує кореляція між значеннями твердості, отриманими традиційними методами та за новими методиками. Нові методики дозволяють помітити різницю величини твердості в тих випадках, коли традиційні методи її не виявляють.
Ключові слова: високоміцний чавун, графіт, структура, поверхнева та об ’ємна твердість.
Вступ
Умови навантаження матеріалу під час вимірювання твердості шляхом вдавлювання індентора відповідають умовам лінійного стискання. Пластична деформація в умовах стискання має ряд особливостей, які визначають результати досліджень. Високоміцні чавуни є матеріалами з декількома структурними складовими, однією з яких завжди є графітні включення [1]. Для оцінки поверхневої та об’ємної твердості чавуну треба оцінювати вплив графіту.
Аналіз публікацій
Пластична деформація є сумарним зміщенням атомів в результаті дії зовнішніх сил; вона містить пластичну і пружну складові. 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 деформуючих 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. Різний напрямок площин ковзання і, внаслідок цього, різний напрямок зсувів у сусідніх зернах, приводять до натискання одного зерна на інше і спричиняють виникнення концентрації
напружень. Для зменшення концентрації напружень при вдавлюванні індентора він повинен мати більший радіус та невелику глибину проникнення [2]. Тому вимірювання сталевою загартованою кулькою є способом, що створює найменшу концентрацію напружень на границі індентор/матеріал.
Високоміцний чавун при навантаженні та розвантаженні, мабуть, можна представити як композиційний матеріал з металевою матрицею та включениями графіту. Якщо чавун має складну структуру матриці (наприклад, ферито-перлітну), то його можна представити як 3 або більш компонентний композиційний матеріал [3]. Тому і показники міцності (границя міцності і, мабуть, границя текучості та ін.) підлягають закону адитивності. Так, границя міцності для феритного чавуну оч
Оч = Оф (1 - V) + Ог (1 - Уф), (1)
або
Оч = Оф (1 - Уг) + Ог Уг, (2)
де Оч , Оф , Ог - границі міцності відповідно всього чавуну, його феритної складової та графіту; Уф , Уг - відповідно питомі об’єми фериту та графіту. Значення міцності і твердості для чавуну в цілому будуть визначатись кількістю і хімічним складом фаз, розміром графітних включень, величиною навантаження.
Метою роботи було визначення впливу розміру графітних включень на поверхневу та об’ємну твердість феритного високоміцного чавуну за різних навантажень. Для цього досліджували вплив розміру графітних включень на зміну поверхневої та об’ємної твердості, що вимірювали та підраховували різними способами, розмір графітних включень.
Матеріал і методика дослідження
В роботі досліджували високоміцні чавуни з кульковим графітом такого хімічного складу, %%: 3,3 - 3,6 С, 2,8 - 3,0 Бі, 0,6 - 0,7 Мп,
0,055-0,060 М§, до 0,03 Б.
Структурний склад чавунів наведено в табл. 1.
Таблиця 1 Хімічний склад досліджених чавунів
Чавун Структура
форма графіту розмір графітних включень металева матриця
2 12 - 13 45 100% фериту
3 12 - 13 45 - 90 100% фериту
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 навантажень 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) наведено в табл. 2.
Чавун, навантаження, Н (кг) Твердість
Нпов, Н/мм2 Ноб, Н/мм3 ИЯ НВ
В С
2, 980 (100) 1623 28271 82 25- 26 156
2, 1470 (150) 2905 59753
3,980 (100) 1623 28271 82 25 156
3, 1470 (150) 2946 61514
Поверхнева твердість, яку рахували за результатами вимірювань на твердомірі Роквелла сталевою кулькою, однакова за невеликого навантаження 980 Н (100кг) для обох чавунів. її величина за цього навантаження співпадає з твердістю, що виміряна безпосередньо на твердомірі Брінелля. Збільшення навантаження (до 1470 Н, або 150 кг) підвищує поверхневу твердість відповідно в 1,78 -2,1 разів для чавуну 2 і в 1,82 - 2,18 для чавуну 3. За навантаження 980 Н поверхнева твердість чавуну 2 дорівнює поверхневій твердості чавуну 3; за збільшення навантаження 1470 Н і поверхнева, і об’ ємна твердість чавуну 3 є дещо вищою, ніж чавуну 2.
При вимірюванні твердості на твердомірі конструкції ХНАДУ отримано такі дані. Залежність навантаження від глибини відбитку індентора для обох чавунів має параболічний характер, типу у = шх2, де т ~ 2 (рис. 1).
Глибина відбитку індентора, мм
Рис. 1. Залежність навантаження від глибини відбитку індентора, зразок 2
Навантаження, Н
Рис. 2. Залежність поверхневої твердості від навантаження, зразок 2
Залежність поверхневої та об’ємної твердості від навантаження має характер параболи типу у = тх112 (рис. 2, 3). При цьому твердість (поверхнева та об’ємна) чавуну 3 є вищою за аналогічну чавуну 2 (до 900 Н/мм2 та 6000 Н/мм3 відповідно).
3500
3000
2500
2000
-О
£ 1500
"Ч 1000
ю
О
Н
500
Л
ж*
4 /
/
/
/ *
/
0 200 400 600 800 10001200140016001800
Навантаження, Н
Рис. 3. Залежність об’ємної твердості від навантаження, зразок 2
Слід зауважити, що вимірювання твердості стандартними методами не дає різниці в розмірі і компактності графітних включень у досліджених чавунах; результати визначення поверхневої та об’ємної твердості, навпаки, її показують.
Висновки
1. Поверхнева твердість, розрахована за результатами вимірювань на твердомірі Роквелла сталевою кулькою, однакова за невеликого навантаження 980 Н (100 кг) для обох чавунів.
2. Розрахункова величина поверхневої твердості за навантаження 980 Н (100 кг) співпадає з твердістю, що виміряна безпосередньо на твердомірі Брінелля.
3. Збільшення навантаження (до 1470 Н, або 150 кг) підвищує поверхневу твердість відповідно в 1,78 - 2,1 разів для чавуну 2 і в 1,82 - 2,18 для чавуну 3; і поверхнева, і об’ємна твердість чавуну 3 є дещо вищою, ніж чавуну 2.
4. При вимірюванні твердості на твердомірі конструкції ХНАДУ залежність навантаження від глибини відбитку індентора для обох чавунів має параболічний характер, типу у=тх2. Залежність поверхневої та об’ємної твердості від навантаження має характер у=тх1/2. При цьому поверхнева та об’ ємна твердість чавуну 3 вища за відповідну твердість чавуну 2.
5. Вимірювання твердості стандартними методами не дає різниці в розмірі і компактності графітних включень у досліджених чавунах; результати визначення поверхневої та об’ємної твердості, навпаки, її показують.
Література
1. Справочник по чугунному литью / Под
ред. Гиршовича Н.Г. - Л.: Машиностроение, 1978. - 758 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 ИЛ 74654 С2, 00Ш3/40. Заявл. 30.12.2003. Опубл. 16.01.2006. Бюл. №1. - 3 с.
Рецензент: А.П. Любченко, професор, д.т.н., ХНАДУ.
0
Стаття надійшла до редакції 17 липня 2009 р.
