Введение к работе
Актуальность темы. Технический прогресс и эффективность производства в современном машиностроении неразрывно связаны с ростом производительности машин, повышением качества, надежности, долговечности изделий, снижением их материалоемкости.
Одним из широко применяемых материалов в любом машиностроении является чугун вследствие его высокой эксплуатационной надежности и долговечности.
От других материалов серый чугун отличается резкой гетерофазностью строения, определяющей его свойства и поведение в деталях различных конструкций. Неоднородность коэффициентов линейного и объемного расширения феррита, цементита и графита в процессе производства чугунных отливок способствуют появлению в них значительных внутренних напряжений. Графитовые включения, действуя как надрезы, создают концентрацию напряжений, из-. меняют модуль упругости. Все это предопределяет анизотропию напряженного состояния, свойств и характеризует склонность чугуна к ползучести, релаксации напряжений и, в конечном счете, к способности сохранять или изменять начальную форму и размеры отливок. Материал отливок как микроскопическая система частиц практически всегда находится в состоянии неполного динамического равновесия.
Внешнее воздействие нарушает квазиравновесное состояние чугуна, в нем возникают различные по своей физической природе релаксационные процессы, переводящие его в новое квазиравновесное состояние, более соответствующее измененным внешним условиям.
Склонность чугуна к размерной нестабильности затрудняет изготовление прецизионных устройств в машиностроении, станкостроении, автотракторостроении, приборостроении. В то же время уровень развития техники предъявляет постоянно возрастающие требования к точности машин, приборов и других механических систем.
Одним из направлений при решении проблемы размерной стабили-
зации является изучение закономерностей возникновения и распределения остаточных напряжений в отливках. Другим - изыскание средств эффективного воздействия на литые детали с целью снижения остаточных напряжений и упрочнения металлической матрицы путем выбора рациональных режимов старения.
До недавнего времени подавляющее большинство исследователей размерную нестабильность не связывали с релаксационной стойкостью материала, a cm тали ее функцией от остаточных напряжений первого рода. Однако оказалось, чт величина имеющихся в чугунных отливках остаточных напряжений однозначно определяет их коробления, что подтверждается, например, практикой естественного старения, при котором остаточные напряжения в отливках снимаются незна чительно (7 - 10%).В то же время естественное старение до сих пор считается одним из самых надежных методов стабилизации размеров.
Признание определяющей роли остаточных напряжений в короблении объясняет причину того, что субструктура, релаксационная стойкость и релаксациої ные явления в чугуне до сих пор находятся в начальной стадии изучения. До настоящего времени в промышленности релаксационная стойкость чугуна практич ски не учитывалась вследствие недостаточного распространения исследований и малого накопления статистического материала по короблению реальных изделие в течение длительного времени.'
В соответствии с вышеизложенным представляется актуальным получен новых данных по влиянию режимов старения на релаксационную стойкость сер го чугуна, установлению взаимосвязи между релаксационными процессами структурными изменениями в чугуне при его старении, выбору оптимального те нологического процесса размерной стабилизации изделий из серого чугуна.
В настоящее время в Воронежском государственном техническс университете проводятся исследования природы размерной и структу ной стабилизации металлов и деталей машин, направленные на дальнейш совершенствование технологических процессов старения чугунных дета-
їй. Используя современные высокочувствительные методы изучения природы и інетики процессов, сопутствующих искусственному старению чугуна, научно юснованы и применены в промышленности способы, основой которых явилась юрия о субструктурном упрочнении материалов. Применяя эту теорию, можно таерждать, что в размерной стабилизации чугуна важную роль играет не только гажение внутренних напряжений, но и создание структуры с высоким сопротив-:нисм малым пластическим деформациям.
Цель работы состояла в исследовании влияния термоциклического старения і релаксационные свойства серого чугуна для повышения его эксплуатационных ірактеристик.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие за-ічи:
1 .Исследовать релаксацию напряжений в чугуне после следующих видов гарения: термоциклического, естественного и при 823 К.
2.Выявить структурночувствительные характеристики склонности чугуна к ітодеформации.
3.Исследовать изменения физических свойств и субструктуры серого чугуна эй старении.
4.Разработать методику определения сопротивления малым пластическим ^формациям базовых деталей станков.
5.Определить влияние режимов старения базовых деталей станков на сопро-івление малым пластическим деформациям.
6.Разработать и внедрить в производство рекомендации по применению тер-оциклического старения для базовых деталей станков.
Установлено, что релаксационная стойкость базовых деталей из серо-) чугуна зависит не столько от снижения начальных внутренних наряжений, сколько от повышения сопротивления малым пластическим
деформациям структуры чугуна. Показано, что повышению релаксационной стой кости материалов при комнатной температуре способствует создание определенного субструктурного состояния с повышенной сопротивляемостью малым пластическим деформациям.
Изучены различные варианты термического воздействия на металлическую матрицу серого чугуна и показано, что максимальное сопротивление малым пластическим деформациям достигается в результате термоциклического старения при 513 - 533 К, а также длительного (40 лет) естественного старения.
Использование метода амплитуднозависимого внутреннего трения позволит оценить степень закрепления дислокаций в сером чугуне после различных режимов старения.
Из полученных данных следует, что термоциклической обработкой в сером чугуне можно создать более эффективное закрепление дислокаций, чем многолет ним естественным старением. При этом отжиг при 523 К оказывает большее стабилизирующее действие, чем при 823 К.
Установлено, что влияние магнитного поля на амплитудігую зависимость внутреннего трения чугунов незначительно в диапазоне малых сдвиговых деформаций с, и только, начиная с некоторых єкр, величина Q "' заметно повышается, что связано с суммарным воздействием постоянного магнитного поля и упругой деформации образца.
Предварительная упругая деформация образцов серого чугуна приводит к создаїшю в нем магнитной структуры, устойчивой по отношению к деформацион ным воздействиям и обеспечивающей высокий уровень демпфирования.
Во всех случаях термоциклическая обработка со старением при 523 К обеспечивает наибольшую устойчивость чугуна по отношению к деформационным воздействиям и высокий уровень демпфирования.
Высокая стабильность дислокационной структуры, сформированной в результате термоциклического старения при 523 К, обусловлена раз-
рядкой "пиковых" напряжений и созданием политональной структуры при более высокой степени закрепления дислокаций.
Впервые установлено, что длительное естественное старение (40 лет) спо
собствует созданшо полигональной субструктуры, аналогичной наблюдаемой при
термоциклической обработке при 523 К. Расчеты скорости переползания дислока
ций показали, что при длительном естественном старении возможно формирова
ние такой полигональной структуры.
Показано, что наряду с термической обработкой релаксационные характеристики могут быть повышены незначительным легированием чугуна хромом и никелем путем введения в шихту, загружаемую в вагранку, примерно 10-15 % хали-ловского природно-легированного чугуна.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Полученные результаты исследований расширяют представления о физической природе релаксационной стойкости серого чугуна, позволяя более обоснованно осуществлять выбор режима старения для литых базовых деталей станков. Термоциклическое старение при 513 - 533 К обеспечивает одновременно снижение остаточных напряжений и повышение сопротивляемости малым пластическим деформациям, аналогично естественному старению, только в больших пределах. По результатам исследований в лабораторных и производственных условиях разработаны рекомендации по использованию термоциклического старения для улучшения релаксационных свойств базовых чугунных деталей станков, с целью повышения их размерной стабильности. Указано, что термоциклическое старение целесообразно и необходимо производить перед финишной механической обработкой чугунных деталей.
