CC BY
40
УДК 721.7
ВИЗНАЧЕННЯ ІСТИННОЇ ТА УНІВЕРСАЛЬНОЇ ТВЕРДОСТІ ВИСОКОМІЦНИХ ЧАВУНІВ
Л.Л. Костіна, доцент, ст. наук. співроб., О.І. Давіденко, асистент, В.І. Олексін, студент, ХНАДУ
Анотація. Високоміцні чавуни широко використовують у машинобудуванні. Важливим питанням контролю їх якості є питання вимірювання опору деформації і руйнуванню, тобто визначення універсальної та істинної твердості. На характер зміни цих величин великий вплив чинить не стільки форма графіту, скільки кількість фериту в металевій матриці.
Ключові слова: високоміцний чавун, графітне включення, універсальна і істинна твердість.
Вступ
Сучасне машинобудування вимагає
постійного оновлення технологій отримання деталей, пошуку нових та вдосконалення відомих матеріалів. З цієї точки зору ще не достатньо досліджені шляхи підвищення властивостей високоміцних чавунів (ВЧ). Для розробки цих шляхів важливі дані про опір ВЧ деформуванню та руйнуванню в умовах кінетичного навантаження.
Аналіз публікацій
Головною особливістю високоміцних чавунів є поєднання гарних ливарних властивостей з досить високими експлуатаційними характеристиками [1]. Це зумовлено, насамперед, особливостями формування литої
(первинної) структури, і, в першу чергу, особливостями будови графітних включень [2]. І кулясті, компактні включення можуть формуватись із окремих частин (блоків) в повністю замкненій облямівці аустеніту, а можуть зберігати в процесі формування однобічній зв’язок з рідким розплавом. В першому випадку у ВЧ формується так звана структура «бичачого ока». Навколо кулястих включень графіту існує рівномірна феритна облямівка, за якою до меж евтектичного зерна розташований перлит. В другому випадку частіше формуються вермікулярні або компактні включення, оточені феритом,
а в місцях зв’язку з рідким розплавом формується перлит або навіть цементит (при достатньо швидкому охолоджуванні).
Тому на відміну від сталей високоміцні чавуни характеризуються значним ступенем хімічної неоднорідності, що виникає в процесі затвердіння. Ділянки матриці навколо графітних включень (згодом феритні) збагачені кремнієм і містять менше марганцю і вуглецю. Перлитні ділянки збагачені марганцем і вуглецем і містять менше кремнію.
Поєднання структурної і хімічної неоднорідності з наявністю графітних включень, що мають нульову міцність, неоднозначно впливає на опір деформації і руйнуванню, тобто на експлуатаційні властивості матеріалу. При стандартних випробуваннях твердості та міцності цей вплив усереднюється. По-перше, тому, що графітні включення і евтектичні зерна мають невеликий розмір. По-друге, тому, що вони різно орієнтовані у просторі.
Останнім часом у практиці досліджень поширюється вимірювання універсальної і істинної твердості [3,4], яке дозволяє оцінити вплив опору металу кінетичному навантаженню. У цьому плані чавуни представляють зовсім особливий вид матеріалів, оскільки вони не чутливі до концентраторів напружень. Концентратори
напружень існують у чавунах у великій кількості, спочатку - це графітні включення різної форми, які аналогічні порам по міцності. Тому є важливими і форма графітних включень, і гострота кромок включення (радіус його кривизни). Більш високі властивості високоміцних чавунів пояснюються не тільки меншим сумарним об’ємом і меншою площею поверхні компактних включень графіту, але й їх меншою надрізуючою дією на металеву матрицю.
Мета та постановка задачі
Для чавунів криві зміни істинної і універсальної твердості можуть мати характер, відмінний від кривих зміни твердості однорідних сплавів. У той же час характер кривих істинної і універсальної твердості для чавунів може виявитися аналогічним, оскільки при визначенні опору по поверхні або за
об’ємом вплив графітних включень повинен бути схожим. Метою роботи було визначити вплив структури чавуну на характер зміни твердості при кінетичному вимірюванні. Для цього вирішували такі завдання: вимірювали твердість двох чавунів з кулястим графітом за допомогою твердоміра конструкції В.І. Мощенка, визначали характер зміни істинної та універсальної твердості.
Визначення істинної та універсальної твердості
У роботі досліджували високоміцні чавуни з кулястим графітом з перлито-феритною і ферито-перлитною структурою металевої матриці. У чавуні 1 (Ч1) форма графіту ближче до компактної, Гф12,13, більше Гф 12, середнього розміру (Граз 45). Матриця перлито-феритна, до 20 % фериту (структура бичачого ока). Чавун 2 (Ч2) має графіт практично ідеальної кулястої форми, Гф12,13, переважне Гф 13; середнього розміру (Граз 45). Матриця ферито-перлитна, 60 % фериту. Розмір зразків складає
30x50x10 мм.
Твердість чавуну при кінетичному навантаженні міряли сталевою загартованою кулькою. Побудовані криві залежності навантаження від глибини проникнення індентора. Розраховані значення істинної твердості і універсальної твердості за
авторськими формулами В.І. Мощенка [3] і побудовані криві залежності істинної та універсальної твердості від величини навантаження.
Залежність навантаження (Р) від глибини проникнення індентора (И) (рис. 1) має параболічний характер
Р = а И\
де для Ч1 коефіцієнт а більший, ніж для Ч2.
глибина відбитку, мм
Рис. 1. Залежність навантаження від глибини відбитку
Побудова кривих такого типу має на увазі залежність від глибини проникнення індентора не навантаження на індентор, а рівної йому сили реакції, з якою матеріал протидіє проникненню. Тоді сила опору проникненню, тобто кінетична твердість, вище у чавуну з великою кількістю перлиту. Це відповідає і більш високим значенням загальноприйнятої твердості по Брінеллю.
При тих же значеннях навантаження універсальна твердість перлитного чавуну дещо нижче, ніж феритного. Причиною цього може бути менша компактність графітних включень: сумарна поверхня
металевої матриці, яка власне і чинить опір проникненню індентора, менше. Можливий також вплив фериту: більша його кількість в матриці Ч2 збільшує частку пластичної складової роботи опору. Вплив фериту, тобто збільшення частки пластичної складової опору узгоджується і з характером залежності навантаження від глибини проникнення індентора.
Характер зміни істинної твердості залежно від навантаження для Ч1 і Ч2 гіперболічний (рис. 2).
Той факт, що збільшення навантаження приводить до зниження істинної твердості, можна пояснити так: збільшення
навантаження приводить до збільшення глибини проникнення індентора, спочатку до подолання опору поверхневих шарів металу, а потім до збільшення об’єму, захопленого деформа-цією. І супроводжується воно відповідним зменшенням питомого (віднесеного до об’єму) опору.
навантаження, Н
Рис. 2. Залежність істинної твердості чавунів від навантаження
Більша кількість фериту в чавуні 2 призводить до того, що значення істинної твердості для нього нижчі, ніж для чавунуї при тих же навантаженнях. Це відповідає результатам стандартних вимірювань твердості методом Брінелля. Але це не досить узгоджується з більшою часткою пластичної складової опору в феритному чавуні 2.
Висновки
Таким чином, характер зміни сили опору навантаженню в залежності від глибини проникнення індентора, характер зміни універсальної та істинної твердості в залежності від навантаження досліджених
високоміцних чавунів відповідають аналогічним для інших матеріалів.
Зменшення істинної твердості при збільшенні навантаження можна пояснити збільшенням об’єму металу, захопленого деформацією.
Різницю значень твердості для чавуну 1 і чавуну 2 можна пояснити більшою кількістю фериту в матриці чавуну 2, що призводить до відповідного збільшення пластичної складової роботи опору.
Література
1. Справочник по чугунному литью / Под
ред. Гиршовича Н.Г. - Л.: Машиностроение, 1978. -758 с.
2. Солнцев Л.А., Костина Л.Л., Кропивный
В.Н. Пути упрочнения нового конструкционного материала - чугуна с вермику-лярным графитом // Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий. - Запорожье, 1983. -199 с.
3. Мощенок В.І., Тарабанова В.П., Глушко-
ва Д.Б. Спосіб оцінки твердості матеріалу. Пат. України иА74654 С2, G01N3/40. Заявл. 30.12.2003. Опубл. 16.01.2006. Бюл. №1. - 3 с.
4. Булычёв С.И., Алёхин В.П. Испытание ма-
териалов непрерывным вдавливанием индентора. - М.: Машиностроение,
1990. - 224 с.
Рецензент: О.І. П’ятак, професор, д.ф.-м.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 25 червня 2008 р.
